(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に無電解Ｎｉ−Ｐめっき層がめっきされた金属体の上面に半導体素子をＳｎリッチ半田を介して接合してなり、前記半導体素子の全体並びに前記金属体の一部を除きその大部分を樹脂でモールドするように構成された半導体装置において、
前記無電解Ｎｉ−Ｐめっき層の厚み寸法を、前記金属体と前記無電解Ｎｉ−Ｐめっき層との界面に、半田付け時にＰリッチ層が到達しないようにする厚み寸法に構成したことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記無電解Ｎｉ−Ｐめっき層の厚み寸法を、約５μｍ以上に設定したことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばヒートシンク（金属体）の上面に半導体素子を半田付けするように構成された半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば高耐圧・大電流用の半導体素子は、使用時の発熱が大きいため、チップからの放熱性を高める構成が必要である。このため、ＣｕやＡｌ等の放熱性の良い金属体からなるヒートシンクの上面に、上記半導体素子を直接半田付けして接合し、放熱性を向上させている。この場合、半田付けに使用する半田としては、Ｐｂを含む通常の半田を使用している。また、ヒートシンクの表面には、無電解Ｎｉ−Ｐめっきを施しており、この無電解Ｎｉ−Ｐめっき層により、ヒートシンクの耐蝕性及び半田付け性を向上させている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、環境保護の観点から、Ｐｂを含む半田を使用しないようにする対策が求められている。そこで、Ｐｂを含まない半田として、Ｓｎリッチ半田例えばＳｎ−Ｓｂ系ろう材を使用することが考えられている。そして、本発明者らは、実際にＳｎ−Ｓｂ系ろう材を使用して、ヒートシンクの上面に半導体素子を半田付けしてみた。すると、ヒートシンクの表面にめっきされていた無電解Ｎｉ−Ｐめっき層が剥離するという不具合が発生した。
【０００４】
ここで、本発明者らは、上記無電解Ｎｉ−Ｐめっき層の剥離が発生する原因を調べてみたところ、次のことがわかった。Ｓｎ−Ｓｂ系ろう材は、多量のＳｎを含んでいるため、溶融した状態では他の金属と活発に反応して、他の金属を溶融ろう材中に溶け込ませるという性質があった。従って、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層に含まれるＮｉが、Ｓｎ−Ｓｂ系ろう材中に溶融し、Ｎｉ−Ｓｎの金属化合物が生成される。
【０００５】
この結果、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層と被接着部材であるヒートシンクとの界面付近は、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層に含まれるＰが濃化した状態となり、Ｎｉ３Ｐが主成分のＰリッチ層が形成される。このＰリッチ層が形成されると、ヒートシンクと無電解Ｎｉ−Ｐめっき層との間の接着力が低下するため、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層の剥離が発生するのである。特に、半導体装置に熱的ストレスや機械的ストレスが加わると、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層ひいては半田層の剥離が発生し易くなることがわかった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、半田付けにＳｎリッチ半田を使用しながら、金属体の表面に施された無電解Ｎｉ−Ｐめっき層の剥離を防止することができる半導体装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明によれば、表面に無電解Ｎｉ−Ｐめっき層がめっきされた金属体の上面に半導体素子をＳｎリッチ半田を介して接合してなり、前記半導体素子の全体並びに前記金属体の一部を除きその大部分を樹脂でモールドするように構成された半導体装置において、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層の厚み寸法を、金属体と無電解Ｎｉ−Ｐめっき層との界面に、半田付け時にＰリッチ層が到達しないようにする厚み寸法に構成したので、Ｓｎリッチ半田を使用しても、金属体と無電解Ｎｉ−Ｐめっき層との界面にＰリッチ層が形成されなくなる。従って、金属体と無電解Ｎｉ−Ｐめっき層との間の接着力が低下しなくなるため、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層の剥離を防止することができる。
【０００８】
請求項２の発明によれば、前記無電解Ｎｉ−Ｐめっき層の厚み寸法を、約５μｍ以上に設定したので、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層の剥離を防止することができる。尚、本発明者らは、実験及び試作を行うことにより、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層の厚み寸法を、約５μｍ以上に設定すれば、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層の剥離を防止できることを確認している。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例について図面を参照しながら説明する。まず、図１は、本実施例の半導体装置の概略構成を示す断面図である。この図１に示すように、本実施例の半導体装置１は、半導体チップ（半導体素子）２と、下側ヒートシンク（金属体）３と、上側ヒートシンク（金属体）４と、ヒートシンクブロック（金属体）５とを備えて構成されている。
【００１０】
上記半導体チップ２は、例えばＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴやサイリスタ等のパワー半導体素子から構成されている。この半導体チップ２の形状は、本実施例の場合、例えば矩形状の薄板状である。また、下側ヒートシンク３、上側ヒートシンク４及びヒートシンクブロック５は、例えばＣｕで構成されている。尚、Ｃｕに代えて、Ａｌ等の熱伝導性及び電気伝導性の良い金属で構成しても良い。
【００１１】
更に、下側ヒートシンク３、上側ヒートシンク４及びヒートシンクブロック５の表面には、図２に示すように、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層６がめっきされている。そして、この無電解Ｎｉ−Ｐめっき層６の厚み寸法は、本実施例の場合、約５μｍ以上に設定されている。
【００１２】
また、上記構成の半導体装置１においては、半導体チップ２の下面と下側ヒートシンク３の上面との間は、接合部材である例えば半田７によって接合されている。この半田７としては、Ｓｎリッチ半田（Ｐｂを含まない半田）、例えばＳｎ−Ｓｂ系のろう材が使用されている。尚、上記Ｓｎ−Ｓｂ系のろう材に代えて、Ｓｎ−Ａｇ系のろう材やＳｎ−Ｃｕ−Ｎｉ系のろう材等を使用しても良い。
【００１３】
そして、半導体チップ２の上面とヒートシンクブロック５の下面との間も、上記Ｓｎ−Ｓｂ系のろう材からなる半田７によって接合されている。更に、ヒートシンクブロック５の上面と上側ヒートシンク４の下面との間も、上記Ｓｎ−Ｓｂ系のろう材からなる半田７によって接合されている。尚、上記各半田７の層の厚み寸法は、約１００μｍ程度に設定されている。このように接合することにより、上記構成においては、半導体チップ２の両面からヒートシンク３、４及びヒートシンクブロック５を介して放熱される構成となっている。
【００１４】
尚、上記構成の場合、下側ヒートシンク３及び上側ヒートシンク４は、半導体チップ２の各主電極（例えばコレクタ電極やエミッタ電極等）に半田７を介して電気的にも接続されている。
【００１５】
一方、半導体チップ２の制御電極（例えばゲートパッド等）は、図１に示すように、リードフレーム８にワイヤーボンディングされている。即ち、例えばＡｌやＡｕ等製のワイヤー９によって半導体チップ２の制御電極とリードフレーム８とが接続されている。
【００１６】
また、下側ヒートシンク３及び上側ヒートシンク４は、厚さ寸法が約１ｍｍ程度の板材で形成されており、それぞれ端子部３ａ及び４ａが突設されている。更に、ヒートシンクブロック５は、半導体チップ２よりも１回り小さい程度の大きさの矩形状の板材である。更にまた、上記構成の場合、下側ヒートシンク３の上面と上側ヒートシンク４の下面との間の距離は、例えば１〜２ｍｍ程度になるように構成されている。
【００１７】
そして、図１に示すように、一対のヒートシンク３、４の隙間、並びに、チップ２及びヒートシンクブロック５の周囲部分には、樹脂（例えばエポキシ樹脂）１０が充填封止されている。この構成の場合、ヒートシンク３、４等を樹脂１０でモールドするに当たっては、上下型からなる成形型（図示しない）を使用している。また、上記構成の場合、下側ヒートシンク３の下面及び上側ヒートシンク４の上面が、それぞれ露出するように樹脂モールドされている。これにより、ヒートシンク３、４の放熱性を高めている。
【００１８】
尚、樹脂１０とヒートシンク３、４との密着力、樹脂１０と半導体チップ２との密着力、並びに、樹脂１０とヒートシンクブロック５との密着力を強くするために、上記樹脂１０をモールドする前に、コーティング樹脂例えばポリアミド樹脂（図示しない）をヒートシンク３、４、ヒートシンクブロック５及びチップ２の表面に塗布しておくことが好ましい。
【００１９】
また、上記した構成の半導体装置１の製造方法（即ち、製造工程）の具体例は、本出願人がすでに出願した特願２００１−１２７５１６や特願２００１−２２５９６３等に記載されており、これらに記載されている方法を適宜使用すれば良い。
【００２０】
ここで、下側ヒートシンク３、上側ヒートシンク４及びヒートシンクブロック５の表面に施した無電解Ｎｉ−Ｐめっき層６の厚み寸法を、約５μｍ以上に設定した理由について説明する。
【００２１】
本発明者らは、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層６の厚み寸法を、２μｍから６μｍまで１μｍ単位で変化させたヒートシンク３、４、５を試作し、Ｓｎ−Ｓｂ系のろう材（半田７）を使用した半田付けを実行し、冷熱サイクル試験を２０００サイクル行った後、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層６の剥離の発生率を調べる実験（試作）を実行した。この実験結果を、図３に示す。
【００２２】
この図３から、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層６の厚み寸法を、約５μｍ以上に設定すると、剥離発生率が０となることから、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層６（ひいては半田層７）の剥離を確実に防止できることがわかる。尚、図３のグラフにおいて、横軸は無電解Ｎｉ−Ｐめっき層６の厚み寸法を示し、縦軸は剥離発生率を示し、プロットが試作品を示している。
【００２３】
ここで、本発明者らは、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層６の厚み寸法を、約５μｍ以上に設定したヒートシンク３、４、５に、Ｓｎ−Ｓｂ系のろう材（半田７）を使用して半田付けを実行しものについて、ヒートシンク３、４、５と半田７との界面における金属元素のデプスプロファイル（depth profile ）を測定してみた。この測定結果を、図４に示す。
【００２４】
この図４において、Ｃｕはヒートシンクの母材物質であり、Ｎｉはめっき層の主成分物質であり、Ｐはめっき層の添加物質であり、Ｓｎはろう材（半田）の主成分物質であり、Ｓｂはろう材（半田）の添加物質である。上記図４によれば、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層６に含まれるＮｉが、Ｓｎ−Ｓｂ系ろう材７中に溶融し、Ｎｉ−Ｓｎの金属化合物が生成され、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層に含まれるＰが濃化した状態となり、Ｐリッチ層（Ｐ濃化層）が形成されるが、このＰリッチ層は、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層６とヒートシンク３、４、５との界面には到達していない。
【００２５】
このため、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層６とヒートシンク３、４、５との界面には、健全な層（半田付け前の状態の層）が残るので、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層６とヒートシンク３、４、５との間の接着力が十分な強度のまま保持される。従って、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層６の厚み寸法を、約５μｍ以上に（十分厚く）設定すると、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層の剥離が発生しない。
【００２６】
ここで、比較例として、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層６の厚み寸法を３μｍに設定したヒートシンク３、４、５に、Ｓｎ−Ｓｂ系のろう材（半田７）を使用して半田付けを実行しものについて、ヒートシンク３、４、５と半田７との界面における金属元素のデプスプロファイルを測定してみた。この比較例の測定結果を、図５に示す。
【００２７】
この図５によれば、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層６に含まれるＰが濃化した状態のＰリッチ層が、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層６とヒートシンク３、４、５との界面に到達している。即ち、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層６とヒートシンク３、４、５との界面まで、すべてＰリッチ層となっている。このような状態では、ヒートシンク３、４、５と無電解Ｎｉ−Ｐめっき層６との間の接着力が低下するため、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層６の剥離が発生するのである。
【００２８】
ちなみに、従来、ヒートシンクにめっきされている無電解Ｎｉ−Ｐめっき層６の厚み寸法は、１〜２μｍ程度であり、かなり薄い。このように無電解Ｎｉ−Ｐめっき層６の厚み寸法を薄くする理由は、製造コストを安くするためである。即ち、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層６の厚み寸法を薄くすると、めっき工程に要する時間を短くすることができ、それだけ生産性が向上するためである。
【００２９】
尚、上記実施例では、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層６の厚み寸法を約５μｍ以上に設定したが、これに限られるものではなく、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層の厚み寸法を、ヒートシンク（金属体）と無電解Ｎｉ−Ｐめっき層との界面に、Ｐリッチ層が到達しないようにする厚み寸法を実験や試作等によって求め、この求めた厚み寸法に設定するように構成すれば良い。
【００３０】
また、上記実施例においては、半導体チップ２を１対のヒートシンク３、４で挟む構成の半導体装置１に適用したが、半導体チップを１つのヒートシンクの上面に載せて半田付けする構成の半導体装置に適用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す半導体装置の縦断面図
【図２】半導体装置の要部の拡大縦断面図
【図３】無電解Ｎｉ−Ｐめっき層の厚み寸法と剥離発生率との関係を示すグラフ
【図４】無電解Ｎｉ−Ｐめっき層の厚み寸法を十分厚くした場合のヒートシンクと半田との界面における金属元素のデプスプロファイルを示す図
【図５】無電解Ｎｉ−Ｐめっき層の厚み寸法を薄くした場合のヒートシンクと半田との界面における金属元素のデプスプロファイルを示す図
【符号の説明】
１は半導体装置、２は半導体チップ（半導体素子）、３は下側ヒートシンク（金属体）、４は上側ヒートシンク（金属体）、５はヒートシンクブロック（金属体）、６は無電解Ｎｉ−Ｐめっき層、７は半田（Ｓｎリッチ半田）、１０は樹脂を示す。
【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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