半導体装置の製造方法
【課題】放熱ベースとカーボン治具との間の隙間から半田材料の流出を効果的に防止した半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】鉛を含まない半田を用いてセラミック等の絶縁基板１を放熱用の銅ベース２上に半田接合する方法であって、２枚のカプトンシート５ａ，５ｂを半田飛散の抑止手段として、銅ベース２上のカーボン治具４との隙間に挿入するように設置し、銅ベース２上で絶縁基板１の位置決めを行う。カプトンシート５は、耐熱性を有する有機物材料からなる薄膜シートであって、カーボン治具４の開口部と同一形状の開口部５１が形成されている。
【解決手段】鉛を含まない半田を用いてセラミック等の絶縁基板１を放熱用の銅ベース２上に半田接合する方法であって、２枚のカプトンシート５ａ，５ｂを半田飛散の抑止手段として、銅ベース２上のカーボン治具４との隙間に挿入するように設置し、銅ベース２上で絶縁基板１の位置決めを行う。カプトンシート５は、耐熱性を有する有機物材料からなる薄膜シートであって、カーボン治具４の開口部と同一形状の開口部５１が形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁基板が放熱ベース上に接合された半導体装置の製造方法に関し、とくに鉛を含まない半田を用いてセラミック等からなる絶縁基板を放熱ベース上に半田接合する半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、モータの可変速装置等に適用されるインバータ装置は、電力変換を行うパワー素子、このパワー素子を制御駆動するドライブ回路、保護回路、およびこれらを統括制御する制御回路等複数の半導体集積回路によって構成されている。最近では、こうしたインバータ装置のような大電力制御用の半導体装置は、直流を交流に変換するパワー素子、ドライブ回路および保護回路を一つのパッケージに内蔵したインテリジェント・パワー・モジュール（以下、ＩＰＭという）として製品化されている。
【０００３】
図５は、従来のパワー半導体モジュールの要部断面模式図である。
この図５に示すパワー半導体モジュール１００の絶縁基板１０１には、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミック基板１０１ａの両面に、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等の導体層１０１ｂ，１０１ｃが形成された基板が使用され、その絶縁基板１０１上には、半田層１０２を介してパワー半導体等の半導体チップ１０３が接合されている。そして、このように半導体チップ１０３が接合された絶縁基板１０１は、その接合面側と反対面側で、半導体チップ１０３で発生した熱の放散を目的として、半田層１０４により銅等の金属で形成された放熱ベース１０５に接合されている。
【０００４】
このような構造のパワー半導体モジュール１００を形成する場合、セラミック基板１０１ａを含む絶縁基板１０１と金属製の放熱ベース１０５という、２つの熱膨張係数の異なる部材同士を半田層１０４によって接合しなければならない。そのため、元々平坦であった放熱ベース１０５が、半田付け後に反ってしまうことがある。
【０００５】
図６は、反った状態の放熱ベースを示す要部断面模式図である。なお、図６では、図５に示した要素と同一の要素については同一の符号を付している。
例えば、絶縁基板１０１のセラミック基板１０１ａに窒化アルミニウムを用い、放熱ベース１０５に銅を用いた場合、窒化アルミニウムの熱膨張係数は約４．５ｐｐｍ／Ｋ、銅の熱膨張係数は約１６．５ｐｐｍ／Ｋであり、比較的大きな差が生じる。そのため、半田付け後の冷却段階で、窒化アルミニウムよりも銅の収縮の方が大きくなり、放熱ベース１０５が絶縁基板１０１との接合面側に凸状に反ってしまうのである。放熱ベース１０５にこのような反りが発生した場合には、半田付け以後の装置組立工程等に支障をきたしたり、その反りの程度によっては、パワー半導体モジュール１００の性能低下を引き起こしたりすることがあった。
【０００６】
ところで、半導体装置の製造に用いられる半田は、その成分に鉛（Ｐｂ）を含んでいるものが少なくない。このような鉛を含む半田を利用した電子機器・電子部品は、もしそれが廃棄されて屋外に放置され酸性雨等に晒されると、半田から鉛が溶出して環境汚染を惹起する恐れがある。そのため、各種電子機器・電子部品には、鉛を含まないスズ（Ｓｎ）等を主成分としたいわゆる鉛フリー半田を利用することが望ましいとされている。電子・電気機器における特定有害物質の使用制限についての欧州連合（ＥＵ）によるＲｏＨＳ（ローズ）指令に基づいて、とくに鉛を含む半田が制限され、その代用として、銀（Ａｇ）、銅、亜鉛（Ｚｎ）、ビスマス（Ｂｉ）、インジウム（Ｉｎ）等の代替材を含む半田接合が提案されている。
【０００７】
そのような鉛フリー半田は、鉛を含有した半田に比べて、その硬度が高いという性質を有している。鉛を含んだ半田を用いて、図５および図６に示したパワー半導体モジュール１００の絶縁基板１０１を元々平坦な放熱ベース１０５と接合する場合は、半田付けの際にたとえ放熱ベース１０５の絶縁基板１０１側への凸状の反りが発生しても、半田自体が柔らかいため半田付け直後から半田層１０４がクリープ変形し、それらの間の応力が緩和される。その結果、放熱ベース１０５の反りが解消され、放熱ベース１０５は、元の平坦な状態か、あるいは平坦に近い状態に戻るようになる。
【０００８】
これに対し、それらの接合に鉛フリー半田を用いた場合には、半田が硬く半田層１０４のクリープ変形が起こらないため、平坦であった放熱ベース１０５に発生した凸状の反りは元に戻らないで残ってしまう。また、その反り量はおおよそ２００μｍ〜５００μｍ程度と大きい。その結果、前述のように半田付け以後の組立工程に支障をきたしたり、パワー半導体モジュール１００の性能低下を引き起こしたりする場合がある。
【０００９】
図７は、パワー半導体モジュールの組立工程を示す要部断面模式図である。なお、図７の各部には、図５および図６に示した要素と同一の要素については同一の符号を付している。
【００１０】
パワー半導体モジュール１００は、図７に示すように、通常、絶縁基板１０１と放熱ベース１０５との半田付け後に、さらに放熱ベース１０５を冷却フィン２００にネジ止め等の方法で固定されるようになっている。
【００１１】
絶縁基板１０１と放熱ベース１０５との接合に鉛を含んだ半田を用いた場合、その半田付け時に放熱ベース１０５に発生した凸状の反りは、その後解消される方向に向かう。そのため、放熱ベース１０５と冷却フィン２００との間の接触熱抵抗は比較的小さく抑えられ、半導体チップ１０３で発生した熱は、効率良く放熱ベース１０５から放散されていくようになる。
【００１２】
これに対し、絶縁基板１０１との接合に鉛フリー半田を用い放熱ベース１０５が絶縁基板１０１側に大きく凸状に反ってしまっている場合、図７に示したように、冷却フィン２００の平坦な面との間に大きな隙間２０１が発生するようになる。このような隙間２０１が発生すると、接触熱抵抗が大きくなるため半導体チップ１０３で発生した熱の放散効率が低下し、半導体チップ１０３の接合部の温度が異常上昇して熱破壊が起こりかねない。また、放熱ベース１０５が絶縁基板１０１側に大きく凸状に反ってしまっている場合には、放熱ベース１０５を冷却フィン２００へネジ止め等する際にセラミック基板１０１ａが割れてしまう等の問題が発生する場合もある。
【００１３】
そこで、絶縁基板と放熱ベースの接合、および絶縁基板と半導体チップの接合に、鉛を含まない鉛フリー半田を用いた半導体装置の製造方法として、例えば特許文献１に記載されているような技術が提案されている。この提案では、放熱ベースと絶縁基板を半田接合する際に、放熱ベースにあらかじめ反対向き（凹状）に所定の大きさの反り（反り付け量）を与えておいてから鉛フリー半田を用いて絶縁基板を半田接合して、結果として放熱ベースが絶縁基板にほぼ平坦な状態で半田接合されるようにしている。そのため、放熱ベースを冷却フィン等の平坦な面に取り付ける際、その部材との間に大きな隙間ができず、必要な接触面積が確保され、取り付け時のセラミック基板の破損が防止される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００６−２０２８８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
図８は、従来の絶縁基板の接合時に放熱ベース上に設置されるカーボン治具であって、同図（Ａ）はその平面図、同図（Ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った断面図である。カーボン治具１１０は絶縁基板１０１の位置決め用の治具であって、絶縁基板１０１は縦方向の長さＸ、横方向の長さＹの矩形をしている。このカーボン治具１１０には、絶縁基板１０１に対応する大きさで開口部１１１が形成されている。そして、開口部１１１に絶縁基板１０１を挿入することで、絶縁基板１０１を放熱ベース１０５上での接合位置に固定できる。
【００１６】
ところが、放熱ベース１０５に対して予め与えておく反り付け量に応じて、放熱ベースとカーボン治具との間に隙間が発生する。しかも、放熱ベース１０５の反り量が大きくなれば隙間も広がるから、その隙間から半田材料が流れ出したり、飛散したりするといった不都合な事態が頻発し、不良品が多数発生するという問題が生じることになる。とくに、鉛フリー半田を用いる場合には、銅等の放熱ベースとの親和性が低くなって、さらにその流出と飛散が促進されるという問題があった。
【００１７】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、放熱ベースとカーボン治具との間の隙間から半田材料の流出を効果的に防止した半導体装置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】
【００１８】
本発明では、上記問題を解決するために、両面に導体層を有する絶縁基板の配線層側に半導体チップを半田接合するとともに前記絶縁基板を放熱ベース上に半田接合してなる半導体装置の製造方法が提供される。この半導体装置の製造方法は、前記絶縁基板を接合した後の前記放熱ベースが略平坦な状態となるように、接合前の前記放熱ベースに前記絶縁基板が半田接合される主面とは反対側に凸状の反りをあらかじめ与える第１の工程と、前記絶縁基板を挿入可能な開口部が形成された基板保持用の枠体、および耐熱性を有する有機物材料からなり、開口部を有する薄膜シートを用意する第２の工程と、前記放熱ベース上に、前記薄膜シートを介して前記枠体を設置して、前記放熱ベース上で前記絶縁基板の位置決めをする第３の工程と、前記絶縁基板と前記放熱ベースを半田接合する第４の工程と、から構成される。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、放熱ベースと枠体の間の隙間における半田の流出と飛散が少なくなり、鉛フリー半田を用いたパワー半導体モジュールの製造効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施の形態に係るパワー半導体モジュールの製造工程の一つであって、（Ａ）は部材のセット工程、（Ｂ）は加熱工程、（Ｃ）は減圧工程を示す断面模式図である。
【図２】（Ａ）はカプトンシートの平面図、（Ｂ）は銅ベースとカーボン治具の間に２枚のカプトンシートを介在させた状態の断面図である。
【図３】カーボン治具の開口部形状を示す平面図である。
【図４】冷却工程によって常圧常温とされたパワー半導体モジュールを示す要部断面模式図である。
【図５】従来のパワー半導体モジュールの要部断面模式図である。
【図６】反った状態の放熱ベースを示す要部断面模式図である。
【図７】パワー半導体モジュールの組立工程を示す要部断面模式図である。
【図８】従来の絶縁基板の接合時に放熱ベース上に設置されるカーボン治具であって、同図（Ａ）はその平面図、同図（Ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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、実施の形態に係るパワー半導体モジュールの製造工程の一つであって、（Ａ）は部材のセット工程、（Ｂ）は加熱工程、（Ｃ）は減圧工程を示す断面模式図である。ここでは、絶縁基板１を銅ベース２上に接合する半田接合の工程を説明する。
【００２２】
図１（Ａ）は、銅ベース２上に絶縁基板１を板半田３とともにセットした状態を示している。絶縁基板１の外周はカーボン治具４によって保持され、カーボン治具４と銅ベース２の間には、半田飛散の抑止手段として、板半田３の周囲にカプトンシート５が配されている。絶縁基板１は、銅箔（Ｃｕ層）１ａ、セラミック基板１ｂ、および銅箔（Ｃｕ層）１ｃが積層された基板として構成されている。両面に導体層として銅箔１ａ，１ｃを有する絶縁基板１は、その一方の主面に銅箔１ａが配線層として形成され、他方の主面の銅箔１ｃが銅ベース２と板半田３によって半田接合される。なお、セラミック基板１ｂとしては、アルミナを主成分とする基板が用いられる。
【００２３】
銅ベース２は、絶縁基板１に配置された図示しないパワー半導体チップからの発熱を逃がすために、同じく図示しない放熱フィン等に固定される放熱ベースである。この銅ベース２には、図１に示すように、絶縁基板１が半田接合される主面とは反対側に凸状をなすように加工され、あらかじめ反りが与えられている。また、銅ベース２の基板に対向する主面には、複数の突起２ａがボス加工されている。これは、絶縁基板１との接合時に溶融した状態の半田層の厚みを確保して、製品の信頼性を高めるためである。
【００２４】
銅ベース２の反り付け量は、例えば半田付け時に銅ベース２が平坦であったときに発生する絶縁基板１側への凸状の反りが約２００μｍ〜約５００μｍの範囲である場合、約１００μｍ〜約６００μｍの範囲である。したがって、実際の板半田３の厚み（約０．３ｍｍ）を考慮すると、銅ベース２の反り付け量は、図１では相当に誇張されて図示してある。なお、この予め与えておく反り付け量は一例であって、銅ベース２の厚さや面積、絶縁基板１の厚さや面積、および絶縁基板１に接合されている銅箔１ａおよび銅箔１ｃの厚さや面積に応じて、適宜設定された値にする。
【００２５】
板半田３には、鉛を含まない半田材（鉛フリー半田）が用いられる。この板半田３の成分は、銀、ビスマス、銅、インジウム、アンチモン（Ｓｂ）、亜鉛、アルミニウム等を含むスズ系半田である。また、鉛フリー半田の中でも融点が低いものを用いるほど、半田付けの際に銅ベース２に加えられる熱が低くなるので、銅の膨張・収縮が小さく、銅ベース２に発生する反りを小さく抑えることが可能になる。一般には、板半田３の融点は２５０℃以下であることが好ましい。
【００２６】
カーボン治具４は、平面視したときの形状が略ロの字形状であり、絶縁基板１が挿入可能な開口部が形成された基板保持用の枠体として構成されている。開口部は絶縁基板１の外周に対応する大きさを有し、開口部の内面とセラミック基板１ｂの外周が接することで絶縁基板１を保持する。ここでは、銅ベース２上でカーボン治具４によって絶縁基板１を位置決めして配置する際に、カーボン治具４と略同一形状の開口部を形成したカプトン（Ｋａｐｔｏｎ：登録商標）シート５を介在させている。
【００２７】
カプトンシート５は、加熱処理によって脱ガス処理された有機物材料（ポリイミド系樹脂）からなる薄膜シートであって、４５０℃程度の耐熱性を有している。ポリイミド系樹脂は有機高分子フィルムの一種であって、溶融半田との親和性が小さく、かつ耐薬品性、耐衝撃性に優れている。ここで使用されるカプトンシート５は、その厚みが５０μｍ程度に形成されているものであるが、１２０μｍ以下の厚みに加工されていれば、所定の可撓性を有するものとなる。こうした溶融半田との親和性が小さいカプトンシート５を銅ベース２の曲面に沿って設置することによって、後述するような飛散半田による不良率が改善できる。
【００２８】
図１（Ｂ）には、加熱炉６内でのリフロー処理による半田３ａの溶融状態を示している。加熱炉６によって板半田３を２８０℃〜４００℃に加熱溶融すると、銅ベース２上の窪みで溶融した半田３ａが気体を巻き込むことによって、絶縁基板１の下の半田３ａ内にボイド７が発生しやすい。
【００２９】
図１（Ｃ）には、窒素雰囲気中での減圧処理によって、発生したボイド７を半田３ａ内から吸引除去するボイド抜きの状態を示している。この減圧処理では、ボイド７が膨張して半田３ａ内から吸引除去される。このとき、銅ベース２とカーボン治具４の間には隙間が生じている。そのため、この銅ベース２とカーボン治具４の間隙から、半田３ａの一部が周辺領域にボイド７と一体になって飛散する。ところが、加熱した半田３ａの飛沫３ｂを弾く、いわゆる半田飛散の抑止効果を有しているカプトンシート５が隙間に存在しているため、飛沫３ｂが飛散したとしても銅ベース２の周辺に付着することを防ぐことができる。
【００３０】
つぎに、カプトンシート５による半田飛散の抑止効果について説明する。
図２（Ａ）はカプトンシートの平面図、同図（Ｂ）は銅ベースとカーボン治具の間に２枚のカプトンシートを介在させた状態の断面図である。
【００３１】
カプトンシート５は、カーボン治具４の開口部を囲む形状に加工されており、治具４の開口部と略同一形状の開口部５１が形成されている。２枚のカプトンシート５ａ，５ｂを半田飛散の抑止手段として、銅ベース２上のカーボン治具４との隙間に挿入するように設置し、銅ベース２上で絶縁基板１の位置決めを行う。なお、カプトンシート５の開口部５１の大きさは溶融した半田が銅ベース２に付着しないよう、板半田の外周と同程度とすることが好ましい。
【００３２】
絶縁基板１の放熱ベースとして用いられる銅ベース２は、その面積が大きいものを使用する場合には、銅ベース２に予め与えておく反り付け量も大きくなる。したがって、そのような場合には、銅ベース２とカーボン治具４との間に２枚以上のカプトンシート５ａ，５ｂを介在させることが好ましい。飛散した半田が２枚のカプトンシート５ａ，５ｂの間に残留しても、その後の工程には影響しないからである。
【００３３】
また、図２（Ｂ）に示すような絶縁基板１の反りは、両面の導体層銅箔１ａ，１ｃの厚み（図１参照）に応じて反り量が決まる。ここでは、表面の銅箔１ａと裏面の銅箔１ｃとの厚みを同じにする絶縁基板１を用いている。図２に示す反りを有する絶縁基板１では、図１（Ｂ）の半田溶融時における飛散半田による不良率を改善できる。
【００３４】
なお、図１（Ｃ）に示す減圧処理が急速に行われると、加熱されたカプトンシート５からガスが発生する。そこで、カプトンシート５に予め脱ガス処理を施しておけば、半田加熱時におけるボイド処理のための減圧工程の時間を短縮できる。
【００３５】
図３は、カーボン治具の開口部形状を示す平面図である。
カーボン治具４の開口部４ａでは、絶縁基板１を挿入可能な大きさが必要である。カーボン治具４は、その本来の役割が銅ベース２上で絶縁基板１を保持し、位置決めを行うことにあるからである。なお、開口部４ａの平面形状は絶縁基板の外周に相似する矩形でもよいし、図示したように、開口部４ａの四隅に、それぞれ絶縁基板の四隅を押さえるための突起４ｂを残し、絶縁基板１の位置決めを可能とするものでもよい。なお、カーボン治具４の左右には、銅ベース２との位置合わせ用のねじ孔４ｃが形成されている。
【００３６】
図４は、冷却工程によって常圧常温とされたパワー半導体モジュールを示す要部断面模式図である。絶縁基板１上には、半田層９を介して半導体チップ１０が接合されている。
上述したカプトンシート５を用いて半田飛散を抑止したため、銅ベース２がほぼ平坦な状態にまで復帰したとき、絶縁基板１が半田接合された銅ベース２の上面周辺には、半田飛沫が残留しない。したがって、その後の修正加工等の処理を実施しなくても、銅ベース２の上から樹脂ケース８を確実に密着させることができ、製品サイズを規格通りに仕上げることができる。しかも、銅ベース２と樹脂ケース８の間に隙間が生じていなければ、後工程で半導体チップをゲルにより封止した場合、特段の処理を行わなくてもゲルが流出するおそれがなくなる。一例として効果を検証したところ、半田飛沫等の修正加工の割合が、シートを使用しない場合に約９０％あったものが、カプトンシートを２枚使用することにより約５％に大きく改善された。
【００３７】
また、予め銅ベース２に凹状に反りを与えておいたため、冷却して絶縁基板１が半田付けされた後に、銅ベース２はほぼ平坦に近い状態になる。したがって、銅ベース２の冷却フィンへの取付けも確実に行える。
【符号の説明】
【００３８】
１ 絶縁基板
２ 銅ベース
３ 板半田
３ａ 半田
４ カーボン治具
５ カプトンシート
６ 加熱炉
７ ボイド
８ 樹脂ケース
９ 半田層
１０ 半導体チップ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁基板が放熱ベース上に接合された半導体装置の製造方法に関し、とくに鉛を含まない半田を用いてセラミック等からなる絶縁基板を放熱ベース上に半田接合する半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、モータの可変速装置等に適用されるインバータ装置は、電力変換を行うパワー素子、このパワー素子を制御駆動するドライブ回路、保護回路、およびこれらを統括制御する制御回路等複数の半導体集積回路によって構成されている。最近では、こうしたインバータ装置のような大電力制御用の半導体装置は、直流を交流に変換するパワー素子、ドライブ回路および保護回路を一つのパッケージに内蔵したインテリジェント・パワー・モジュール（以下、ＩＰＭという）として製品化されている。
【０００３】
図５は、従来のパワー半導体モジュールの要部断面模式図である。
この図５に示すパワー半導体モジュール１００の絶縁基板１０１には、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミック基板１０１ａの両面に、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等の導体層１０１ｂ，１０１ｃが形成された基板が使用され、その絶縁基板１０１上には、半田層１０２を介してパワー半導体等の半導体チップ１０３が接合されている。そして、このように半導体チップ１０３が接合された絶縁基板１０１は、その接合面側と反対面側で、半導体チップ１０３で発生した熱の放散を目的として、半田層１０４により銅等の金属で形成された放熱ベース１０５に接合されている。
【０００４】
このような構造のパワー半導体モジュール１００を形成する場合、セラミック基板１０１ａを含む絶縁基板１０１と金属製の放熱ベース１０５という、２つの熱膨張係数の異なる部材同士を半田層１０４によって接合しなければならない。そのため、元々平坦であった放熱ベース１０５が、半田付け後に反ってしまうことがある。
【０００５】
図６は、反った状態の放熱ベースを示す要部断面模式図である。なお、図６では、図５に示した要素と同一の要素については同一の符号を付している。
例えば、絶縁基板１０１のセラミック基板１０１ａに窒化アルミニウムを用い、放熱ベース１０５に銅を用いた場合、窒化アルミニウムの熱膨張係数は約４．５ｐｐｍ／Ｋ、銅の熱膨張係数は約１６．５ｐｐｍ／Ｋであり、比較的大きな差が生じる。そのため、半田付け後の冷却段階で、窒化アルミニウムよりも銅の収縮の方が大きくなり、放熱ベース１０５が絶縁基板１０１との接合面側に凸状に反ってしまうのである。放熱ベース１０５にこのような反りが発生した場合には、半田付け以後の装置組立工程等に支障をきたしたり、その反りの程度によっては、パワー半導体モジュール１００の性能低下を引き起こしたりすることがあった。
【０００６】
ところで、半導体装置の製造に用いられる半田は、その成分に鉛（Ｐｂ）を含んでいるものが少なくない。このような鉛を含む半田を利用した電子機器・電子部品は、もしそれが廃棄されて屋外に放置され酸性雨等に晒されると、半田から鉛が溶出して環境汚染を惹起する恐れがある。そのため、各種電子機器・電子部品には、鉛を含まないスズ（Ｓｎ）等を主成分としたいわゆる鉛フリー半田を利用することが望ましいとされている。電子・電気機器における特定有害物質の使用制限についての欧州連合（ＥＵ）によるＲｏＨＳ（ローズ）指令に基づいて、とくに鉛を含む半田が制限され、その代用として、銀（Ａｇ）、銅、亜鉛（Ｚｎ）、ビスマス（Ｂｉ）、インジウム（Ｉｎ）等の代替材を含む半田接合が提案されている。
【０００７】
そのような鉛フリー半田は、鉛を含有した半田に比べて、その硬度が高いという性質を有している。鉛を含んだ半田を用いて、図５および図６に示したパワー半導体モジュール１００の絶縁基板１０１を元々平坦な放熱ベース１０５と接合する場合は、半田付けの際にたとえ放熱ベース１０５の絶縁基板１０１側への凸状の反りが発生しても、半田自体が柔らかいため半田付け直後から半田層１０４がクリープ変形し、それらの間の応力が緩和される。その結果、放熱ベース１０５の反りが解消され、放熱ベース１０５は、元の平坦な状態か、あるいは平坦に近い状態に戻るようになる。
【０００８】
これに対し、それらの接合に鉛フリー半田を用いた場合には、半田が硬く半田層１０４のクリープ変形が起こらないため、平坦であった放熱ベース１０５に発生した凸状の反りは元に戻らないで残ってしまう。また、その反り量はおおよそ２００μｍ〜５００μｍ程度と大きい。その結果、前述のように半田付け以後の組立工程に支障をきたしたり、パワー半導体モジュール１００の性能低下を引き起こしたりする場合がある。
【０００９】
図７は、パワー半導体モジュールの組立工程を示す要部断面模式図である。なお、図７の各部には、図５および図６に示した要素と同一の要素については同一の符号を付している。
【００１０】
パワー半導体モジュール１００は、図７に示すように、通常、絶縁基板１０１と放熱ベース１０５との半田付け後に、さらに放熱ベース１０５を冷却フィン２００にネジ止め等の方法で固定されるようになっている。
【００１１】
絶縁基板１０１と放熱ベース１０５との接合に鉛を含んだ半田を用いた場合、その半田付け時に放熱ベース１０５に発生した凸状の反りは、その後解消される方向に向かう。そのため、放熱ベース１０５と冷却フィン２００との間の接触熱抵抗は比較的小さく抑えられ、半導体チップ１０３で発生した熱は、効率良く放熱ベース１０５から放散されていくようになる。
【００１２】
これに対し、絶縁基板１０１との接合に鉛フリー半田を用い放熱ベース１０５が絶縁基板１０１側に大きく凸状に反ってしまっている場合、図７に示したように、冷却フィン２００の平坦な面との間に大きな隙間２０１が発生するようになる。このような隙間２０１が発生すると、接触熱抵抗が大きくなるため半導体チップ１０３で発生した熱の放散効率が低下し、半導体チップ１０３の接合部の温度が異常上昇して熱破壊が起こりかねない。また、放熱ベース１０５が絶縁基板１０１側に大きく凸状に反ってしまっている場合には、放熱ベース１０５を冷却フィン２００へネジ止め等する際にセラミック基板１０１ａが割れてしまう等の問題が発生する場合もある。
【００１３】
そこで、絶縁基板と放熱ベースの接合、および絶縁基板と半導体チップの接合に、鉛を含まない鉛フリー半田を用いた半導体装置の製造方法として、例えば特許文献１に記載されているような技術が提案されている。この提案では、放熱ベースと絶縁基板を半田接合する際に、放熱ベースにあらかじめ反対向き（凹状）に所定の大きさの反り（反り付け量）を与えておいてから鉛フリー半田を用いて絶縁基板を半田接合して、結果として放熱ベースが絶縁基板にほぼ平坦な状態で半田接合されるようにしている。そのため、放熱ベースを冷却フィン等の平坦な面に取り付ける際、その部材との間に大きな隙間ができず、必要な接触面積が確保され、取り付け時のセラミック基板の破損が防止される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００６−２０２８８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
図８は、従来の絶縁基板の接合時に放熱ベース上に設置されるカーボン治具であって、同図（Ａ）はその平面図、同図（Ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った断面図である。カーボン治具１１０は絶縁基板１０１の位置決め用の治具であって、絶縁基板１０１は縦方向の長さＸ、横方向の長さＹの矩形をしている。このカーボン治具１１０には、絶縁基板１０１に対応する大きさで開口部１１１が形成されている。そして、開口部１１１に絶縁基板１０１を挿入することで、絶縁基板１０１を放熱ベース１０５上での接合位置に固定できる。
【００１６】
ところが、放熱ベース１０５に対して予め与えておく反り付け量に応じて、放熱ベースとカーボン治具との間に隙間が発生する。しかも、放熱ベース１０５の反り量が大きくなれば隙間も広がるから、その隙間から半田材料が流れ出したり、飛散したりするといった不都合な事態が頻発し、不良品が多数発生するという問題が生じることになる。とくに、鉛フリー半田を用いる場合には、銅等の放熱ベースとの親和性が低くなって、さらにその流出と飛散が促進されるという問題があった。
【００１７】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、放熱ベースとカーボン治具との間の隙間から半田材料の流出を効果的に防止した半導体装置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】
【００１８】
本発明では、上記問題を解決するために、両面に導体層を有する絶縁基板の配線層側に半導体チップを半田接合するとともに前記絶縁基板を放熱ベース上に半田接合してなる半導体装置の製造方法が提供される。この半導体装置の製造方法は、前記絶縁基板を接合した後の前記放熱ベースが略平坦な状態となるように、接合前の前記放熱ベースに前記絶縁基板が半田接合される主面とは反対側に凸状の反りをあらかじめ与える第１の工程と、前記絶縁基板を挿入可能な開口部が形成された基板保持用の枠体、および耐熱性を有する有機物材料からなり、開口部を有する薄膜シートを用意する第２の工程と、前記放熱ベース上に、前記薄膜シートを介して前記枠体を設置して、前記放熱ベース上で前記絶縁基板の位置決めをする第３の工程と、前記絶縁基板と前記放熱ベースを半田接合する第４の工程と、から構成される。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、放熱ベースと枠体の間の隙間における半田の流出と飛散が少なくなり、鉛フリー半田を用いたパワー半導体モジュールの製造効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施の形態に係るパワー半導体モジュールの製造工程の一つであって、（Ａ）は部材のセット工程、（Ｂ）は加熱工程、（Ｃ）は減圧工程を示す断面模式図である。
【図２】（Ａ）はカプトンシートの平面図、（Ｂ）は銅ベースとカーボン治具の間に２枚のカプトンシートを介在させた状態の断面図である。
【図３】カーボン治具の開口部形状を示す平面図である。
【図４】冷却工程によって常圧常温とされたパワー半導体モジュールを示す要部断面模式図である。
【図５】従来のパワー半導体モジュールの要部断面模式図である。
【図６】反った状態の放熱ベースを示す要部断面模式図である。
【図７】パワー半導体モジュールの組立工程を示す要部断面模式図である。
【図８】従来の絶縁基板の接合時に放熱ベース上に設置されるカーボン治具であって、同図（Ａ）はその平面図、同図（Ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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、実施の形態に係るパワー半導体モジュールの製造工程の一つであって、（Ａ）は部材のセット工程、（Ｂ）は加熱工程、（Ｃ）は減圧工程を示す断面模式図である。ここでは、絶縁基板１を銅ベース２上に接合する半田接合の工程を説明する。
【００２２】
図１（Ａ）は、銅ベース２上に絶縁基板１を板半田３とともにセットした状態を示している。絶縁基板１の外周はカーボン治具４によって保持され、カーボン治具４と銅ベース２の間には、半田飛散の抑止手段として、板半田３の周囲にカプトンシート５が配されている。絶縁基板１は、銅箔（Ｃｕ層）１ａ、セラミック基板１ｂ、および銅箔（Ｃｕ層）１ｃが積層された基板として構成されている。両面に導体層として銅箔１ａ，１ｃを有する絶縁基板１は、その一方の主面に銅箔１ａが配線層として形成され、他方の主面の銅箔１ｃが銅ベース２と板半田３によって半田接合される。なお、セラミック基板１ｂとしては、アルミナを主成分とする基板が用いられる。
【００２３】
銅ベース２は、絶縁基板１に配置された図示しないパワー半導体チップからの発熱を逃がすために、同じく図示しない放熱フィン等に固定される放熱ベースである。この銅ベース２には、図１に示すように、絶縁基板１が半田接合される主面とは反対側に凸状をなすように加工され、あらかじめ反りが与えられている。また、銅ベース２の基板に対向する主面には、複数の突起２ａがボス加工されている。これは、絶縁基板１との接合時に溶融した状態の半田層の厚みを確保して、製品の信頼性を高めるためである。
【００２４】
銅ベース２の反り付け量は、例えば半田付け時に銅ベース２が平坦であったときに発生する絶縁基板１側への凸状の反りが約２００μｍ〜約５００μｍの範囲である場合、約１００μｍ〜約６００μｍの範囲である。したがって、実際の板半田３の厚み（約０．３ｍｍ）を考慮すると、銅ベース２の反り付け量は、図１では相当に誇張されて図示してある。なお、この予め与えておく反り付け量は一例であって、銅ベース２の厚さや面積、絶縁基板１の厚さや面積、および絶縁基板１に接合されている銅箔１ａおよび銅箔１ｃの厚さや面積に応じて、適宜設定された値にする。
【００２５】
板半田３には、鉛を含まない半田材（鉛フリー半田）が用いられる。この板半田３の成分は、銀、ビスマス、銅、インジウム、アンチモン（Ｓｂ）、亜鉛、アルミニウム等を含むスズ系半田である。また、鉛フリー半田の中でも融点が低いものを用いるほど、半田付けの際に銅ベース２に加えられる熱が低くなるので、銅の膨張・収縮が小さく、銅ベース２に発生する反りを小さく抑えることが可能になる。一般には、板半田３の融点は２５０℃以下であることが好ましい。
【００２６】
カーボン治具４は、平面視したときの形状が略ロの字形状であり、絶縁基板１が挿入可能な開口部が形成された基板保持用の枠体として構成されている。開口部は絶縁基板１の外周に対応する大きさを有し、開口部の内面とセラミック基板１ｂの外周が接することで絶縁基板１を保持する。ここでは、銅ベース２上でカーボン治具４によって絶縁基板１を位置決めして配置する際に、カーボン治具４と略同一形状の開口部を形成したカプトン（Ｋａｐｔｏｎ：登録商標）シート５を介在させている。
【００２７】
カプトンシート５は、加熱処理によって脱ガス処理された有機物材料（ポリイミド系樹脂）からなる薄膜シートであって、４５０℃程度の耐熱性を有している。ポリイミド系樹脂は有機高分子フィルムの一種であって、溶融半田との親和性が小さく、かつ耐薬品性、耐衝撃性に優れている。ここで使用されるカプトンシート５は、その厚みが５０μｍ程度に形成されているものであるが、１２０μｍ以下の厚みに加工されていれば、所定の可撓性を有するものとなる。こうした溶融半田との親和性が小さいカプトンシート５を銅ベース２の曲面に沿って設置することによって、後述するような飛散半田による不良率が改善できる。
【００２８】
図１（Ｂ）には、加熱炉６内でのリフロー処理による半田３ａの溶融状態を示している。加熱炉６によって板半田３を２８０℃〜４００℃に加熱溶融すると、銅ベース２上の窪みで溶融した半田３ａが気体を巻き込むことによって、絶縁基板１の下の半田３ａ内にボイド７が発生しやすい。
【００２９】
図１（Ｃ）には、窒素雰囲気中での減圧処理によって、発生したボイド７を半田３ａ内から吸引除去するボイド抜きの状態を示している。この減圧処理では、ボイド７が膨張して半田３ａ内から吸引除去される。このとき、銅ベース２とカーボン治具４の間には隙間が生じている。そのため、この銅ベース２とカーボン治具４の間隙から、半田３ａの一部が周辺領域にボイド７と一体になって飛散する。ところが、加熱した半田３ａの飛沫３ｂを弾く、いわゆる半田飛散の抑止効果を有しているカプトンシート５が隙間に存在しているため、飛沫３ｂが飛散したとしても銅ベース２の周辺に付着することを防ぐことができる。
【００３０】
つぎに、カプトンシート５による半田飛散の抑止効果について説明する。
図２（Ａ）はカプトンシートの平面図、同図（Ｂ）は銅ベースとカーボン治具の間に２枚のカプトンシートを介在させた状態の断面図である。
【００３１】
カプトンシート５は、カーボン治具４の開口部を囲む形状に加工されており、治具４の開口部と略同一形状の開口部５１が形成されている。２枚のカプトンシート５ａ，５ｂを半田飛散の抑止手段として、銅ベース２上のカーボン治具４との隙間に挿入するように設置し、銅ベース２上で絶縁基板１の位置決めを行う。なお、カプトンシート５の開口部５１の大きさは溶融した半田が銅ベース２に付着しないよう、板半田の外周と同程度とすることが好ましい。
【００３２】
絶縁基板１の放熱ベースとして用いられる銅ベース２は、その面積が大きいものを使用する場合には、銅ベース２に予め与えておく反り付け量も大きくなる。したがって、そのような場合には、銅ベース２とカーボン治具４との間に２枚以上のカプトンシート５ａ，５ｂを介在させることが好ましい。飛散した半田が２枚のカプトンシート５ａ，５ｂの間に残留しても、その後の工程には影響しないからである。
【００３３】
また、図２（Ｂ）に示すような絶縁基板１の反りは、両面の導体層銅箔１ａ，１ｃの厚み（図１参照）に応じて反り量が決まる。ここでは、表面の銅箔１ａと裏面の銅箔１ｃとの厚みを同じにする絶縁基板１を用いている。図２に示す反りを有する絶縁基板１では、図１（Ｂ）の半田溶融時における飛散半田による不良率を改善できる。
【００３４】
なお、図１（Ｃ）に示す減圧処理が急速に行われると、加熱されたカプトンシート５からガスが発生する。そこで、カプトンシート５に予め脱ガス処理を施しておけば、半田加熱時におけるボイド処理のための減圧工程の時間を短縮できる。
【００３５】
図３は、カーボン治具の開口部形状を示す平面図である。
カーボン治具４の開口部４ａでは、絶縁基板１を挿入可能な大きさが必要である。カーボン治具４は、その本来の役割が銅ベース２上で絶縁基板１を保持し、位置決めを行うことにあるからである。なお、開口部４ａの平面形状は絶縁基板の外周に相似する矩形でもよいし、図示したように、開口部４ａの四隅に、それぞれ絶縁基板の四隅を押さえるための突起４ｂを残し、絶縁基板１の位置決めを可能とするものでもよい。なお、カーボン治具４の左右には、銅ベース２との位置合わせ用のねじ孔４ｃが形成されている。
【００３６】
図４は、冷却工程によって常圧常温とされたパワー半導体モジュールを示す要部断面模式図である。絶縁基板１上には、半田層９を介して半導体チップ１０が接合されている。
上述したカプトンシート５を用いて半田飛散を抑止したため、銅ベース２がほぼ平坦な状態にまで復帰したとき、絶縁基板１が半田接合された銅ベース２の上面周辺には、半田飛沫が残留しない。したがって、その後の修正加工等の処理を実施しなくても、銅ベース２の上から樹脂ケース８を確実に密着させることができ、製品サイズを規格通りに仕上げることができる。しかも、銅ベース２と樹脂ケース８の間に隙間が生じていなければ、後工程で半導体チップをゲルにより封止した場合、特段の処理を行わなくてもゲルが流出するおそれがなくなる。一例として効果を検証したところ、半田飛沫等の修正加工の割合が、シートを使用しない場合に約９０％あったものが、カプトンシートを２枚使用することにより約５％に大きく改善された。
【００３７】
また、予め銅ベース２に凹状に反りを与えておいたため、冷却して絶縁基板１が半田付けされた後に、銅ベース２はほぼ平坦に近い状態になる。したがって、銅ベース２の冷却フィンへの取付けも確実に行える。
【符号の説明】
【００３８】
１ 絶縁基板
２ 銅ベース
３ 板半田
３ａ 半田
４ カーボン治具
５ カプトンシート
６ 加熱炉
７ ボイド
８ 樹脂ケース
９ 半田層
１０ 半導体チップ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
両面に導体層を有する絶縁基板の配線層側に半導体チップを半田接合するとともに前記絶縁基板を放熱ベース上に半田接合してなる半導体装置の製造方法において、
前記絶縁基板を接合した後の前記放熱ベースが略平坦な状態となるように、接合前の前記放熱ベースに前記絶縁基板が半田接合される主面とは反対側に凸状の反りをあらかじめ与える第１の工程と、
前記絶縁基板を挿入可能な開口部が形成された基板保持用の枠体、および耐熱性を有する有機物材料からなり、開口部を有する薄膜シートを用意する第２の工程と、
前記放熱ベース上に、前記薄膜シートを介して前記枠体を設置して、前記放熱ベース上で前記絶縁基板の位置決めをする第３の工程と、
前記絶縁基板と前記放熱ベースを半田接合する第４の工程と、
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】
前記放熱ベースは、銅を用いて構成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記薄膜シートは、ポリイミド系樹脂からなり、加熱処理によって脱ガス処理されたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記薄膜シートは、その厚みが１２０μｍ以下に加工されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記薄膜シートは、可撓性のあるカプトン（Ｋａｐｔｏｎ：登録商標）シートであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記絶縁基板は、セラミック基板の両面に導体層を有するものであって、前記導体層として銅箔が用いられ、前記セラミック基板にアルミナを主成分とする基板が用いられていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記第３の工程において、前記放熱ベースと前記枠体との間に前記薄膜シートを２枚以上介在させたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記第４の工程における半田接合は、融点が２５０℃以下の鉛を含まない板半田を用いることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記板半田は、銀、ビスマス、インジウム、アンチモン、亜鉛、アルミニウム、銅のうちの少なくとも１種とスズとを含むことを特徴とする請求項８記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１】
両面に導体層を有する絶縁基板の配線層側に半導体チップを半田接合するとともに前記絶縁基板を放熱ベース上に半田接合してなる半導体装置の製造方法において、
前記絶縁基板を接合した後の前記放熱ベースが略平坦な状態となるように、接合前の前記放熱ベースに前記絶縁基板が半田接合される主面とは反対側に凸状の反りをあらかじめ与える第１の工程と、
前記絶縁基板を挿入可能な開口部が形成された基板保持用の枠体、および耐熱性を有する有機物材料からなり、開口部を有する薄膜シートを用意する第２の工程と、
前記放熱ベース上に、前記薄膜シートを介して前記枠体を設置して、前記放熱ベース上で前記絶縁基板の位置決めをする第３の工程と、
前記絶縁基板と前記放熱ベースを半田接合する第４の工程と、
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】
前記放熱ベースは、銅を用いて構成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記薄膜シートは、ポリイミド系樹脂からなり、加熱処理によって脱ガス処理されたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記薄膜シートは、その厚みが１２０μｍ以下に加工されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記薄膜シートは、可撓性のあるカプトン（Ｋａｐｔｏｎ：登録商標）シートであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記絶縁基板は、セラミック基板の両面に導体層を有するものであって、前記導体層として銅箔が用いられ、前記セラミック基板にアルミナを主成分とする基板が用いられていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記第３の工程において、前記放熱ベースと前記枠体との間に前記薄膜シートを２枚以上介在させたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記第４の工程における半田接合は、融点が２５０℃以下の鉛を含まない板半田を用いることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記板半田は、銀、ビスマス、インジウム、アンチモン、亜鉛、アルミニウム、銅のうちの少なくとも１種とスズとを含むことを特徴とする請求項８記載の半導体装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−１６１２１９（Ｐ２０１０−１６１２１９Ａ）
【公開日】平成２２年７月２２日（２０１０．７．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２７００（Ｐ２００９−２７００）
【出願日】平成２１年１月８日（２００９．１．８）
【出願人】（５９１０８３２４４）富士電機システムズ株式会社 (1,717)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月２２日（２０１０．７．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月８日（２００９．１．８）
【出願人】（５９１０８３２４４）富士電機システムズ株式会社 (1,717)
【Ｆターム（参考）】
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