半導体装置及び半導体装置の製造方法
【課題】半導体チップを挟む２枚の配線基板の間隔を一定に保持するとともに、該２枚の配線基板の接合位置を高精度に決めることのできる半導体装置及び半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体チップが実装された第１配線基板１０、及び第２の配線基板２０に、それぞれ対向する第１の孔部１１及び第２の孔部２１が設けられ、それらの孔部に金属球３０を設置して、前記第１及び第２の配線基板１０、２０と前記金属球３０の接触部分を互いに接合した。
【解決手段】半導体チップが実装された第１配線基板１０、及び第２の配線基板２０に、それぞれ対向する第１の孔部１１及び第２の孔部２１が設けられ、それらの孔部に金属球３０を設置して、前記第１及び第２の配線基板１０、２０と前記金属球３０の接触部分を互いに接合した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置、及び半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等を構成する半導体チップは、大電流の制御に使用されることから自己発熱により温度が大きく上昇する場合があり、放熱性の改善が求められている。そのため、２枚の配線基板の向かい合う面をそれぞれ実装面とし、その間に半導体チップが挟まれて配置され、その外側の両面から放熱されるように構成された半導体装置が提案されている。
そのような半導体装置の一例が特開平１０−５６１３１号公報に紹介されている。この公報に示された発明では、一方の配線基板の実装面に凸部を設け、他方の配線基板の実装面に上記凸部が嵌合する凹部を設けて、一方の凸部を他方の凹部に接合する。これにより、凸部がスペーサとなり２枚の配線基板の間隔が保持されるとともに、該２枚の配線基板の接合位置が決められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−５６１３１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体チップの実装不良を低減するには、該２枚の配線基板の実装面の間に半導体チップを配置する際、高い位置決め精度が要求される。このため、各実装面には、上記凹凸部の形状及び位置を高精度に加工する必要がある。しかしながら、上記特許文献の発明では、その高精度の加工には煩雑な作業を伴うとともに、該配線基板の広い範囲に加工を施す場合があり、製造時のコストが高くなるといったことから、さらに改善すべき課題となっている。
【０００５】
そこで、本発明は、半導体チップを挟む２枚の配線基板の間隔を一定に保持するとともに、該２枚の配線基板の接合位置を高精度に決めることのできる半導体装置及び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】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明は以下の構成を備える。
請求項１に記載の発明は、第１の孔部を有する第１の配線基板と、前記第１の孔部に対向する位置に第２の孔部を有する第２の配線基板と、前記第１及び第２の孔部の孔径よりも大きい径を有し、前記第１の配線基板と前記第２の配線基板との間、且つ前記第１の孔部及び前記第２の孔部に設置され、前記第１及び第２の配線基板とそれぞれ接合された少なくとも１つの金属球と、前記金属球の隣に間隔をおいて、前記第１の配線基板上に実装された第１の半導体チップとを備えたものである。
請求項２に記載の発明は、前記第１の配線基板上に、さらに第２の半導体チップが実装され、前記金属球は、前記第１の半導体チップと前記第２の半導体チップとの間に設置されたものである。
請求項３に記載の発明は、前記金属球は、一部が凸又は凹状に変形した略球形、又は端部が曲面を有する円柱形のいずれかを含む形状とするものである。
請求項４に記載の発明は、前記金属球は、銅コア材に半田層をコーティングした銅コア半田ボールからなるものである。
請求項５に記載の発明は、前記半導体装置は放熱部を備えており、前記金属球は、前記第１の配線基板または第２の配線基板を介して、前記放熱部と隣り合う位置に設けられたものである。
請求項６に記載の発明は、回転機器及び前記回転機器の動作を制御する制御部を備えた工作機械又はロボットの駆動装置において、前記制御部には請求項１又は２記載の半導体装置を備えたものである。
請求項７に記載の発明は、直流電力から交流電力を電気的に生成する回路を備えたインバータ装置において、前記回路には請求項１又は２記載の半導体装置を備えたものである。
請求項８に記載の発明は、第１の配線基板及び第２の配線基板を準備する工程と、前記第１及び第２の配線基板にそれぞれ第１の孔部及び第２の孔部を設ける工程と、前記第１又は第２の配線基板のいずれかに半導体チップを実装するとともに、前記第１又は第２の孔部の一方の孔部に金属球を設置して、前記金属球が設置された前記第１又は第２の配線基板の一方の配線基板と前記金属球とを接合材により接合する工程と、前記金属球を他方の孔部に設置することにより、前記第１の孔部と第２の孔部を対向させて前記第１の配線基板及び第２の配線基板の位置を整合する工程と、前記金属球と他方の配線基板とを接合材により接合する工程とを有するものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、半導体チップを挟む２枚の配線基板の間隔を一定に保持するとともに、該２枚の配線基板の接合位置を高精度に決めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係るインバータモジュールの模式図
【図２】本発明の実施形態に係るインバータモジュールの電気回路図
【図３】本発明の実施形態に係るインバータモジュールの製造工程を示す模式図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本実施例では、パワーＭＯＳＦＥＴとなる半導体チップを搭載し、高周波大電流対応の３相インバータ用半導体装置（以下、「インバータモジュール」と称す）に適用した構成について、図１〜図３を用いて説明する。本実施形態で参酌する図面では、発明の理解を容易にするため各要素が模式的に示されており、説明に不要な構成については省略されることもある。また、前出の要素と同じ要素に同一符号を付すことにより、その説明が省略されることもある。
【００１０】
図１（ａ）は、インバータモジュール１の側断面図であり、第１相の構成について示されている。また、図１（ｂ）は、インバータモジュール１の全体を示す上面図である。さらに、図２は、図１のように構成されたインバータモジュール１の第１相における等価回路を示している。
【００１１】
インバータモジュール１は、第１の配線基板１０と第２の配線基板２０との間に挟まれて実装された第１の半導体チップ１００及び第２の半導体チップ２００を有している。さらに、インバータモジュール１は、第１の配線基板１０と第２の配線基板２０に接合された金属球３０を備えており、この金属球３０は半導体チップ１００と半導体チップ２００との間に配置されている。ちなみに、本実施例における第１の配線基板１０と第２の配線基板２０の間隔は、およそ５００μｍである。
また、第１の配線基板１０の下面及び第２の配線基板２０の上面には、第１の半導体チップ１００及び第２の半導体チップ２００で生じた熱を外部の大気または冷却水等の冷却媒体に放散するための放熱部４０が設置されている。
なお、第１及び第２の配線基板１０、２０は、第１及び第２の半導体チップ１００、２００との間に作用する熱応力の低減と放熱性の向上のために、窒化珪素もしくは窒化アルミニウムなどの低熱膨張係数、且つ、高熱伝導性のものが望ましいが、特にこれに限定されるものではない。
【００１２】
第１の半導体チップ１００及び第２の半導体チップ２００は、第１の配線基板１０と第２の配線基板２０の間に、次のように接合されている。
公知の方法により矩形板状に形成された第１及び第２の半導体チップ１００、２００の上面には、ドレイン電極１０１、２０１が配置され、下面にはソース電極１０２、２０２、及びゲート電極１０３、２０３がそれぞれ配置されている。この場合、ドレイン電極１０１、２０１、及びソース電極１０２、２０２は主電極となり、ゲート電極１０３、２０３は制御電極となる。また、ドレイン電極１０１、２０１は、第２の配線基板２０の電極パターン２２、２３と半田５２で接合され、ソース電極１０２、２０２は第１の配線基板１０の電極パターン１２、１３と、ゲート電極１０３、２０３は電極パターン１４、１５と半田５０によりそれぞれ接合されている。
【００１３】
金属球３０は、第１の配線基板１０と第２の配線基板２０の間に、次のように接合されている。
第１の配線基板１０及び第２の配線基板２０には、それぞれ第１の孔部１１、及び第２の孔部２１が設けられており、それらの中心線上に球の中心が位置するように金属球３０が設置されている。金属球３０は、第１及び第２の配線基板１０、２０の間隔を一定に保持するスペーサとしての機能を有しており、第１及び第２の孔部１１、２１の孔径は金属球３０の径よりも小さい寸法となっている。また、第１の孔部１１及び第２の孔部２１の孔径は、同じ寸法であっても異なる寸法であっても支障はない。なお、本実施例では第１及び第２の孔部１１、２１は、それぞれの配線基板が貫通されて形成されており、該貫通孔の断面形状は円形であるが、金属球３０が安定して設置されるのであれば、配線基板が貫通されなくとも、凹状あるいは溝状に形成されても良い。
また、第１及び第２の配線基板１０、２０における金属球３０を挟む側の面において、第１の孔部１１及び第２の孔部２１の周囲には、電極パターン１２と導通する電極パターン１６、及び電極パターン２３と導通する電極パターン２４が設けられている。電極パターン１６及び電極パターン２４は、金属球３０とそれぞれ半田５１、５３により接合されており、電極パターン１２と電極パターン２３は電気的に接続されて導通状態となっている。
なお、金属球３０は、一部が凸又は凹状に変形した略球形、又は端部が曲面を有する円柱形の略球形状であっても良く、電極パターン１６及び電極パターン２４と金属球３０を半田５１、５３で接合する際、接合強度を高めるために半田５１、５３が付着した部分は小さな凹凸ができる場合があるが、所定の接合強度、通電容量、絶縁距離、及び基板間隔が確保されるように接合されていれば特に支障はない。
さらに、金属球３０について、銅コア材に半田層をコーティングした銅コア半田ボールは、高精度寸法の銅コア材に高精度の厚さで半田がコーティングされているので、第１の配線基板１０と第２の配線基板２０との間隔を高い精度で保持することができる。また、半田付けの作業及び半田付着量の調整が容易になるとともに、半田付け性のばらつきが減少し、接合強度が安定する。
【００１４】
図１（ｂ）において、３相のインバータモジュールは、第１の半導体チップ１００と第２の半導体チップ２００との間に金属球３０を配置した第１相と同様の構成を３列平行に配置することにより第２及び第３相の配置を行う。このように配置することにより、第１の配線基板１０及び第２の配線基板２０との間隔は一定に保持されるとともにその接合強度は強固になる。また、実装スペースを小さくできるので、インバータモジュールの小型化に寄与することができる。
一方、金属球３０は、第１の配線基板１０又は第２の配線基板２０を介して、温度差の生じ易い放熱部４０と隣り合う位置に配置されており、第１及び第２の配線基板１０、２０が熱によって膨張・収縮する影響を最小限に防止することができる。
なお、本実施例では、第１の半導体チップ１００と第２の半導体チップ２００との間に１個の金属球３０を設置しているが、複数の金属球３０を設置することにより、第１の配線基板と第２の配線基板２０との接合強度がさらに向上し、その間隔を安定して保持することができる。また、電流容量の増加にも対応することができる。
【００１５】
図２において、電極パターン２２から電極パターン１３に至る電気回路が構成されており、上述したようにソース電極１０２、電極パターン１２、１６、金属球３０、電極パターン２４、２３、及びドレイン電極２０１は電気的に同電位である。
また、第１の半導体チップ１００と第２の半導体チップ２００との間の中間電位にあるインバータモジュール１の出力端子６０が、同電位であるソース電極１０２からドレイン電極２０１のいずれかに接続されている。これは第２及び第３相についても同様である。
【００１６】
以下、図１及び図２に示されたインバータモジュールの製造方法について、（１）配線基板の準備工程、（２）孔部の加工工程、（３）半導体の実装・金属球の設置工程、（４）配線基板位置整合工程、及び（５）接合工程を、図３に基づいて各工程毎に説明する。
【００１７】
（１）配線基板の準備工程
図３（ａ）において、第１の配線基板１０及び第２の配線基板２０は、窒化珪素もしくは窒化アルミニウム等の板材がベースとなり、第１の半導体チップ１００、第２の半導体チップ２００を実装する側の面に、銅、タングステン、アルミニウム、銀、モリブデン、またはその他の導体からなる電極パターン１２、１３、１４、１５、１６、２２、２３、２４が施されて配線基板が準備される。
【００１８】
（２）孔部の加工工程
図３（ｂ）において、第１の配線基板１０及び第２の配線基板２０の金属球３０が設置される位置にそれぞれ第１の孔部１１及び第２の孔部２１が設けられる。本実施例では、第１の半導体チップ１００及び第２の半導体チップ２００が設置される中間に金属球３０が設置されるため、各半導体チップが所定の位置に実装できるように決められた位置に設定された寸法の孔を設ける。前述したように、それぞれの配線基板を貫通させて形成しても良いが、金属球３０が安定して設置されるのであれば、配線基板を貫通しなくとも、凹状あるいは溝状に形成されても良い。
なお、電極パターン１６及び２４の形状については特に限定しないが、孔の周囲に円形に構成することにより、金属球３０との接合面積が広くなり接合強度が向上する。
【００１９】
（３）半導体の実装・金属球の設置工程
図３（ｃ）において、第１及び第２の半導体チップ１００、２００に施されたソース電極１０２、２０２、及びゲート電極１０３、２０３を、第１の配線基板１０の所定の電極パターン１２、１３、１４、１５とそれぞれ接合する。この場合、ソース電極１０２、２０２、及びゲート電極１０３、２０３、もしくは各電極パターン上に予め直径が数十μｍ程度の半田ボールを用いて半田バンプ（半田５０）を形成しておくとこれらを容易に接合することができる。
また、予め電極パターン１６に半田ペースト（半田５１）を塗布しておき、第１の孔部１１に金属球３０を設置する。金属球３０の一部が第１の孔部１１に嵌るように設置されることにより、金属球３０の設置位置が決められる。
その後、半田の溶融点を超える温度でリフローを行うことにより、第１及び第２の半導体チップ１００、２００、及び金属球３０は、それぞれ第１の配線基板１０と半田５０、５１により接合される。
上記の金属球３０については、本実施例では、各半導体チップの実装高さが５００μｍ程度であり、第１の配線基板１０と第２の配線基板２０との間隔を同寸法に保持するため、予め、第１及び第２の孔部の径を考慮し、その間隔が保持できる直径を有する金属球３０を選定しておく。また、銅コアの周囲に数十μｍの鉛フリー半田コーティングが施された銅コア半田ボールのような複合材料を用いることにより、半田ペーストを塗布する作業を省略することができる。
なお、本実施例では、第１及び第２の半導体チップ１００、２００の実装を金属球３０を設置する前に行ったが、作業の効率及び信頼性等を考慮することにおいてその順序は自由に変更することができる。
【００２０】
（４）配線基板の位置整合工程
図３（ｄ）において、ドレイン電極１０１、２０１の上面、またはそれらと接合される第２の配線基板２０の電極パターン２２、２３にリボン半田（半田５２）を配置し、金属球３０または第２の配線基板２０の電極パターン２４に半田ペースト（半田５３）を配置する。次に、第２の孔部２１に金属球３０が設置されるように第２の配線基板２０を重ねる。第２の孔部２１及び金属球３０は、少なくともそれぞれの相ごとに複数設けられているので、各相の第２の孔部２１に金属球３０が設置されることにより、ドレイン電極１０１、２０１の上面と第２の配線基板２０の電極パターン２２、２３はそれぞれ対向する位置に整合される。このように、第１の配線基板１０と第２の配線基板２０は、容易に高い精度で位置決めが行われる。
なお、上記で用いた半田５２、５３は、前工程で用いた半田５０、５１よりも融点の低い半田材を使用することが、その後のリフロー時に前工程の半田の溶融を防止する上で好ましい。
【００２１】
（５）接合工程
図３（ｅ）において、半田５２、５３の溶融点よりも高く、半田５０、５１の融点よりも低い温度により再度リフローを行う。
以上により、ドレイン電極１０１、２０１と電極パターン２２、２３がそれぞれ接合され、金属球３０と電極パターン２４が接合されてインバータモジュール１が形成される。
【００２２】
（３）の半導体の実装・金属球の設置工程において、金属球３０は、第２の孔部２１に設置して第２の配線基板２０と接合しても良く、この場合は、（４）の配線基板の位置整合工程において、第１の孔部１１に金属球３０が設置されるように第２の配線基板２０を重ねて第１の配線基板１０と第２の配線基板２０の位置決めを行う。その後、ドレイン電極１０１、２０１が第２の配線基板２０と接合されるのと同時に、金属球３０と第１の配線基板１０とが接合される。このときの半田材の選定及びリフロー温度は適宜調整すれば良い。
【００２３】
その後、さらにモジュールの補強を行うために、第１の配線基板１０と第２の配線基板２０との間の空隙に絶縁樹脂を封入することもある。また、第１の配線基板１０の下面及び第２の配線基板２０の上面に放熱部４０を設けることにより、半導体チップから発熱した熱を効率的に外部に放散することができる。さらに、金属球３０を、第１の配線基板１０又は第２の配線基板２０を介して、温度差の生じ易い放熱部４０と隣り合う位置に配置することにより、基板の強度がさらに向上する。このため、熱膨張・収縮による配線基板の反り等の形状の変形を最小限に防止することができる。
【００２４】
本発明に関する上述の詳細な説明を添付図面と併せて参酌すれば、第１の配線基板１０と第２の配線基板２０に設けた第１の孔部１１及び第２の孔部２１に、金属球３０を設置するといった単純な形状且つ容易な作業により、半導体チップを挟む２枚の配線基板の間隔を一定に保持するとともに、該２枚の配線基板の接合位置を高精度に決めることができる。各孔部または金属球３０のサイズを変更することにより、２枚の配線基板の間隔を容易に調整することもできる。
また、金属球３０を電気回路の一部として適用することにより、電流容量の増加にも容易に対応でき、実装スペースを小さくできるので、インバータモジュールの小型化にも寄与することができる。さらに、金属球３０は、一部が凸又は凹状に変形した略球形、又は端部が曲面を有する円柱形の略球形状であっても良いので、材料の選定が容易になり、コスト面においても安価になる。なお、金属球３０については、銅コア材に半田層をコーティングした銅コア半田ボールを用いることにより、該２枚の配線基板の間隔を高い精度で保持することができるとともに、半田付けの作業及び半田付着量の調整が容易になり、安定した強固な半田接合を行うことができるので、信頼性の向上にも寄与することとなる。
さらに、金属球３０を、第１の配線基板１０又は第２の配線基板２０を介して、温度差の生じ易い放熱部４０と隣り合う位置に配置することにより、基板の接合強度が向上し、熱膨張・収縮による配線基板の反り等の形状の変形を最小限に防止することができる。
【００２５】
本実施形態では、パワーＭＯＳＦＥＴを備えるインバータモジュールを構成する半導体装置について説明した。上述する説明を参酌すれば、ＩＧＢＴやその他の半導体デバイスにより構成される半導体装置についても同じように構成することができ、同様の効果が得られる。
【００２６】
また、本発明により、高発熱環境下における良好な放熱性、配線基板同士の高い接合強度や高い位置決め精度等から得られる高い信頼性、及びコンパクト性等が要求される分野への適用が可能となる。
例えば、高周波大電流対応のインバータへの適用、耐振動性やコンパクトさが要求される車載用インバータへの適用が実現できる。あるいは、耐熱性、耐振動性及びコンパクト性が要求されるロボットアームの内部に制御用の半導体装置として、本発明の半導体装置を搭載することも可能になる。
【００２７】
本発明は、工作機械、ロボット、一般産業機械等に使用されるサーボドライブ装置、インバータ装置、または一般的なスイッチング電源等の電力変換装置を構成する半導体装置に適用できる。
【符号の説明】
【００２８】
１ インバータモジュール
１０ 第１の配線基板
２０ 第２の配線基板
３０ 金属球
４０ 放熱部
５０ 半田
６０ 出力端子
１００ 第１の半導体チップ
２００ 第２の半導体チップ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置、及び半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等を構成する半導体チップは、大電流の制御に使用されることから自己発熱により温度が大きく上昇する場合があり、放熱性の改善が求められている。そのため、２枚の配線基板の向かい合う面をそれぞれ実装面とし、その間に半導体チップが挟まれて配置され、その外側の両面から放熱されるように構成された半導体装置が提案されている。
そのような半導体装置の一例が特開平１０−５６１３１号公報に紹介されている。この公報に示された発明では、一方の配線基板の実装面に凸部を設け、他方の配線基板の実装面に上記凸部が嵌合する凹部を設けて、一方の凸部を他方の凹部に接合する。これにより、凸部がスペーサとなり２枚の配線基板の間隔が保持されるとともに、該２枚の配線基板の接合位置が決められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−５６１３１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体チップの実装不良を低減するには、該２枚の配線基板の実装面の間に半導体チップを配置する際、高い位置決め精度が要求される。このため、各実装面には、上記凹凸部の形状及び位置を高精度に加工する必要がある。しかしながら、上記特許文献の発明では、その高精度の加工には煩雑な作業を伴うとともに、該配線基板の広い範囲に加工を施す場合があり、製造時のコストが高くなるといったことから、さらに改善すべき課題となっている。
【０００５】
そこで、本発明は、半導体チップを挟む２枚の配線基板の間隔を一定に保持するとともに、該２枚の配線基板の接合位置を高精度に決めることのできる半導体装置及び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】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明は以下の構成を備える。
請求項１に記載の発明は、第１の孔部を有する第１の配線基板と、前記第１の孔部に対向する位置に第２の孔部を有する第２の配線基板と、前記第１及び第２の孔部の孔径よりも大きい径を有し、前記第１の配線基板と前記第２の配線基板との間、且つ前記第１の孔部及び前記第２の孔部に設置され、前記第１及び第２の配線基板とそれぞれ接合された少なくとも１つの金属球と、前記金属球の隣に間隔をおいて、前記第１の配線基板上に実装された第１の半導体チップとを備えたものである。
請求項２に記載の発明は、前記第１の配線基板上に、さらに第２の半導体チップが実装され、前記金属球は、前記第１の半導体チップと前記第２の半導体チップとの間に設置されたものである。
請求項３に記載の発明は、前記金属球は、一部が凸又は凹状に変形した略球形、又は端部が曲面を有する円柱形のいずれかを含む形状とするものである。
請求項４に記載の発明は、前記金属球は、銅コア材に半田層をコーティングした銅コア半田ボールからなるものである。
請求項５に記載の発明は、前記半導体装置は放熱部を備えており、前記金属球は、前記第１の配線基板または第２の配線基板を介して、前記放熱部と隣り合う位置に設けられたものである。
請求項６に記載の発明は、回転機器及び前記回転機器の動作を制御する制御部を備えた工作機械又はロボットの駆動装置において、前記制御部には請求項１又は２記載の半導体装置を備えたものである。
請求項７に記載の発明は、直流電力から交流電力を電気的に生成する回路を備えたインバータ装置において、前記回路には請求項１又は２記載の半導体装置を備えたものである。
請求項８に記載の発明は、第１の配線基板及び第２の配線基板を準備する工程と、前記第１及び第２の配線基板にそれぞれ第１の孔部及び第２の孔部を設ける工程と、前記第１又は第２の配線基板のいずれかに半導体チップを実装するとともに、前記第１又は第２の孔部の一方の孔部に金属球を設置して、前記金属球が設置された前記第１又は第２の配線基板の一方の配線基板と前記金属球とを接合材により接合する工程と、前記金属球を他方の孔部に設置することにより、前記第１の孔部と第２の孔部を対向させて前記第１の配線基板及び第２の配線基板の位置を整合する工程と、前記金属球と他方の配線基板とを接合材により接合する工程とを有するものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、半導体チップを挟む２枚の配線基板の間隔を一定に保持するとともに、該２枚の配線基板の接合位置を高精度に決めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係るインバータモジュールの模式図
【図２】本発明の実施形態に係るインバータモジュールの電気回路図
【図３】本発明の実施形態に係るインバータモジュールの製造工程を示す模式図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本実施例では、パワーＭＯＳＦＥＴとなる半導体チップを搭載し、高周波大電流対応の３相インバータ用半導体装置（以下、「インバータモジュール」と称す）に適用した構成について、図１〜図３を用いて説明する。本実施形態で参酌する図面では、発明の理解を容易にするため各要素が模式的に示されており、説明に不要な構成については省略されることもある。また、前出の要素と同じ要素に同一符号を付すことにより、その説明が省略されることもある。
【００１０】
図１（ａ）は、インバータモジュール１の側断面図であり、第１相の構成について示されている。また、図１（ｂ）は、インバータモジュール１の全体を示す上面図である。さらに、図２は、図１のように構成されたインバータモジュール１の第１相における等価回路を示している。
【００１１】
インバータモジュール１は、第１の配線基板１０と第２の配線基板２０との間に挟まれて実装された第１の半導体チップ１００及び第２の半導体チップ２００を有している。さらに、インバータモジュール１は、第１の配線基板１０と第２の配線基板２０に接合された金属球３０を備えており、この金属球３０は半導体チップ１００と半導体チップ２００との間に配置されている。ちなみに、本実施例における第１の配線基板１０と第２の配線基板２０の間隔は、およそ５００μｍである。
また、第１の配線基板１０の下面及び第２の配線基板２０の上面には、第１の半導体チップ１００及び第２の半導体チップ２００で生じた熱を外部の大気または冷却水等の冷却媒体に放散するための放熱部４０が設置されている。
なお、第１及び第２の配線基板１０、２０は、第１及び第２の半導体チップ１００、２００との間に作用する熱応力の低減と放熱性の向上のために、窒化珪素もしくは窒化アルミニウムなどの低熱膨張係数、且つ、高熱伝導性のものが望ましいが、特にこれに限定されるものではない。
【００１２】
第１の半導体チップ１００及び第２の半導体チップ２００は、第１の配線基板１０と第２の配線基板２０の間に、次のように接合されている。
公知の方法により矩形板状に形成された第１及び第２の半導体チップ１００、２００の上面には、ドレイン電極１０１、２０１が配置され、下面にはソース電極１０２、２０２、及びゲート電極１０３、２０３がそれぞれ配置されている。この場合、ドレイン電極１０１、２０１、及びソース電極１０２、２０２は主電極となり、ゲート電極１０３、２０３は制御電極となる。また、ドレイン電極１０１、２０１は、第２の配線基板２０の電極パターン２２、２３と半田５２で接合され、ソース電極１０２、２０２は第１の配線基板１０の電極パターン１２、１３と、ゲート電極１０３、２０３は電極パターン１４、１５と半田５０によりそれぞれ接合されている。
【００１３】
金属球３０は、第１の配線基板１０と第２の配線基板２０の間に、次のように接合されている。
第１の配線基板１０及び第２の配線基板２０には、それぞれ第１の孔部１１、及び第２の孔部２１が設けられており、それらの中心線上に球の中心が位置するように金属球３０が設置されている。金属球３０は、第１及び第２の配線基板１０、２０の間隔を一定に保持するスペーサとしての機能を有しており、第１及び第２の孔部１１、２１の孔径は金属球３０の径よりも小さい寸法となっている。また、第１の孔部１１及び第２の孔部２１の孔径は、同じ寸法であっても異なる寸法であっても支障はない。なお、本実施例では第１及び第２の孔部１１、２１は、それぞれの配線基板が貫通されて形成されており、該貫通孔の断面形状は円形であるが、金属球３０が安定して設置されるのであれば、配線基板が貫通されなくとも、凹状あるいは溝状に形成されても良い。
また、第１及び第２の配線基板１０、２０における金属球３０を挟む側の面において、第１の孔部１１及び第２の孔部２１の周囲には、電極パターン１２と導通する電極パターン１６、及び電極パターン２３と導通する電極パターン２４が設けられている。電極パターン１６及び電極パターン２４は、金属球３０とそれぞれ半田５１、５３により接合されており、電極パターン１２と電極パターン２３は電気的に接続されて導通状態となっている。
なお、金属球３０は、一部が凸又は凹状に変形した略球形、又は端部が曲面を有する円柱形の略球形状であっても良く、電極パターン１６及び電極パターン２４と金属球３０を半田５１、５３で接合する際、接合強度を高めるために半田５１、５３が付着した部分は小さな凹凸ができる場合があるが、所定の接合強度、通電容量、絶縁距離、及び基板間隔が確保されるように接合されていれば特に支障はない。
さらに、金属球３０について、銅コア材に半田層をコーティングした銅コア半田ボールは、高精度寸法の銅コア材に高精度の厚さで半田がコーティングされているので、第１の配線基板１０と第２の配線基板２０との間隔を高い精度で保持することができる。また、半田付けの作業及び半田付着量の調整が容易になるとともに、半田付け性のばらつきが減少し、接合強度が安定する。
【００１４】
図１（ｂ）において、３相のインバータモジュールは、第１の半導体チップ１００と第２の半導体チップ２００との間に金属球３０を配置した第１相と同様の構成を３列平行に配置することにより第２及び第３相の配置を行う。このように配置することにより、第１の配線基板１０及び第２の配線基板２０との間隔は一定に保持されるとともにその接合強度は強固になる。また、実装スペースを小さくできるので、インバータモジュールの小型化に寄与することができる。
一方、金属球３０は、第１の配線基板１０又は第２の配線基板２０を介して、温度差の生じ易い放熱部４０と隣り合う位置に配置されており、第１及び第２の配線基板１０、２０が熱によって膨張・収縮する影響を最小限に防止することができる。
なお、本実施例では、第１の半導体チップ１００と第２の半導体チップ２００との間に１個の金属球３０を設置しているが、複数の金属球３０を設置することにより、第１の配線基板と第２の配線基板２０との接合強度がさらに向上し、その間隔を安定して保持することができる。また、電流容量の増加にも対応することができる。
【００１５】
図２において、電極パターン２２から電極パターン１３に至る電気回路が構成されており、上述したようにソース電極１０２、電極パターン１２、１６、金属球３０、電極パターン２４、２３、及びドレイン電極２０１は電気的に同電位である。
また、第１の半導体チップ１００と第２の半導体チップ２００との間の中間電位にあるインバータモジュール１の出力端子６０が、同電位であるソース電極１０２からドレイン電極２０１のいずれかに接続されている。これは第２及び第３相についても同様である。
【００１６】
以下、図１及び図２に示されたインバータモジュールの製造方法について、（１）配線基板の準備工程、（２）孔部の加工工程、（３）半導体の実装・金属球の設置工程、（４）配線基板位置整合工程、及び（５）接合工程を、図３に基づいて各工程毎に説明する。
【００１７】
（１）配線基板の準備工程
図３（ａ）において、第１の配線基板１０及び第２の配線基板２０は、窒化珪素もしくは窒化アルミニウム等の板材がベースとなり、第１の半導体チップ１００、第２の半導体チップ２００を実装する側の面に、銅、タングステン、アルミニウム、銀、モリブデン、またはその他の導体からなる電極パターン１２、１３、１４、１５、１６、２２、２３、２４が施されて配線基板が準備される。
【００１８】
（２）孔部の加工工程
図３（ｂ）において、第１の配線基板１０及び第２の配線基板２０の金属球３０が設置される位置にそれぞれ第１の孔部１１及び第２の孔部２１が設けられる。本実施例では、第１の半導体チップ１００及び第２の半導体チップ２００が設置される中間に金属球３０が設置されるため、各半導体チップが所定の位置に実装できるように決められた位置に設定された寸法の孔を設ける。前述したように、それぞれの配線基板を貫通させて形成しても良いが、金属球３０が安定して設置されるのであれば、配線基板を貫通しなくとも、凹状あるいは溝状に形成されても良い。
なお、電極パターン１６及び２４の形状については特に限定しないが、孔の周囲に円形に構成することにより、金属球３０との接合面積が広くなり接合強度が向上する。
【００１９】
（３）半導体の実装・金属球の設置工程
図３（ｃ）において、第１及び第２の半導体チップ１００、２００に施されたソース電極１０２、２０２、及びゲート電極１０３、２０３を、第１の配線基板１０の所定の電極パターン１２、１３、１４、１５とそれぞれ接合する。この場合、ソース電極１０２、２０２、及びゲート電極１０３、２０３、もしくは各電極パターン上に予め直径が数十μｍ程度の半田ボールを用いて半田バンプ（半田５０）を形成しておくとこれらを容易に接合することができる。
また、予め電極パターン１６に半田ペースト（半田５１）を塗布しておき、第１の孔部１１に金属球３０を設置する。金属球３０の一部が第１の孔部１１に嵌るように設置されることにより、金属球３０の設置位置が決められる。
その後、半田の溶融点を超える温度でリフローを行うことにより、第１及び第２の半導体チップ１００、２００、及び金属球３０は、それぞれ第１の配線基板１０と半田５０、５１により接合される。
上記の金属球３０については、本実施例では、各半導体チップの実装高さが５００μｍ程度であり、第１の配線基板１０と第２の配線基板２０との間隔を同寸法に保持するため、予め、第１及び第２の孔部の径を考慮し、その間隔が保持できる直径を有する金属球３０を選定しておく。また、銅コアの周囲に数十μｍの鉛フリー半田コーティングが施された銅コア半田ボールのような複合材料を用いることにより、半田ペーストを塗布する作業を省略することができる。
なお、本実施例では、第１及び第２の半導体チップ１００、２００の実装を金属球３０を設置する前に行ったが、作業の効率及び信頼性等を考慮することにおいてその順序は自由に変更することができる。
【００２０】
（４）配線基板の位置整合工程
図３（ｄ）において、ドレイン電極１０１、２０１の上面、またはそれらと接合される第２の配線基板２０の電極パターン２２、２３にリボン半田（半田５２）を配置し、金属球３０または第２の配線基板２０の電極パターン２４に半田ペースト（半田５３）を配置する。次に、第２の孔部２１に金属球３０が設置されるように第２の配線基板２０を重ねる。第２の孔部２１及び金属球３０は、少なくともそれぞれの相ごとに複数設けられているので、各相の第２の孔部２１に金属球３０が設置されることにより、ドレイン電極１０１、２０１の上面と第２の配線基板２０の電極パターン２２、２３はそれぞれ対向する位置に整合される。このように、第１の配線基板１０と第２の配線基板２０は、容易に高い精度で位置決めが行われる。
なお、上記で用いた半田５２、５３は、前工程で用いた半田５０、５１よりも融点の低い半田材を使用することが、その後のリフロー時に前工程の半田の溶融を防止する上で好ましい。
【００２１】
（５）接合工程
図３（ｅ）において、半田５２、５３の溶融点よりも高く、半田５０、５１の融点よりも低い温度により再度リフローを行う。
以上により、ドレイン電極１０１、２０１と電極パターン２２、２３がそれぞれ接合され、金属球３０と電極パターン２４が接合されてインバータモジュール１が形成される。
【００２２】
（３）の半導体の実装・金属球の設置工程において、金属球３０は、第２の孔部２１に設置して第２の配線基板２０と接合しても良く、この場合は、（４）の配線基板の位置整合工程において、第１の孔部１１に金属球３０が設置されるように第２の配線基板２０を重ねて第１の配線基板１０と第２の配線基板２０の位置決めを行う。その後、ドレイン電極１０１、２０１が第２の配線基板２０と接合されるのと同時に、金属球３０と第１の配線基板１０とが接合される。このときの半田材の選定及びリフロー温度は適宜調整すれば良い。
【００２３】
その後、さらにモジュールの補強を行うために、第１の配線基板１０と第２の配線基板２０との間の空隙に絶縁樹脂を封入することもある。また、第１の配線基板１０の下面及び第２の配線基板２０の上面に放熱部４０を設けることにより、半導体チップから発熱した熱を効率的に外部に放散することができる。さらに、金属球３０を、第１の配線基板１０又は第２の配線基板２０を介して、温度差の生じ易い放熱部４０と隣り合う位置に配置することにより、基板の強度がさらに向上する。このため、熱膨張・収縮による配線基板の反り等の形状の変形を最小限に防止することができる。
【００２４】
本発明に関する上述の詳細な説明を添付図面と併せて参酌すれば、第１の配線基板１０と第２の配線基板２０に設けた第１の孔部１１及び第２の孔部２１に、金属球３０を設置するといった単純な形状且つ容易な作業により、半導体チップを挟む２枚の配線基板の間隔を一定に保持するとともに、該２枚の配線基板の接合位置を高精度に決めることができる。各孔部または金属球３０のサイズを変更することにより、２枚の配線基板の間隔を容易に調整することもできる。
また、金属球３０を電気回路の一部として適用することにより、電流容量の増加にも容易に対応でき、実装スペースを小さくできるので、インバータモジュールの小型化にも寄与することができる。さらに、金属球３０は、一部が凸又は凹状に変形した略球形、又は端部が曲面を有する円柱形の略球形状であっても良いので、材料の選定が容易になり、コスト面においても安価になる。なお、金属球３０については、銅コア材に半田層をコーティングした銅コア半田ボールを用いることにより、該２枚の配線基板の間隔を高い精度で保持することができるとともに、半田付けの作業及び半田付着量の調整が容易になり、安定した強固な半田接合を行うことができるので、信頼性の向上にも寄与することとなる。
さらに、金属球３０を、第１の配線基板１０又は第２の配線基板２０を介して、温度差の生じ易い放熱部４０と隣り合う位置に配置することにより、基板の接合強度が向上し、熱膨張・収縮による配線基板の反り等の形状の変形を最小限に防止することができる。
【００２５】
本実施形態では、パワーＭＯＳＦＥＴを備えるインバータモジュールを構成する半導体装置について説明した。上述する説明を参酌すれば、ＩＧＢＴやその他の半導体デバイスにより構成される半導体装置についても同じように構成することができ、同様の効果が得られる。
【００２６】
また、本発明により、高発熱環境下における良好な放熱性、配線基板同士の高い接合強度や高い位置決め精度等から得られる高い信頼性、及びコンパクト性等が要求される分野への適用が可能となる。
例えば、高周波大電流対応のインバータへの適用、耐振動性やコンパクトさが要求される車載用インバータへの適用が実現できる。あるいは、耐熱性、耐振動性及びコンパクト性が要求されるロボットアームの内部に制御用の半導体装置として、本発明の半導体装置を搭載することも可能になる。
【００２７】
本発明は、工作機械、ロボット、一般産業機械等に使用されるサーボドライブ装置、インバータ装置、または一般的なスイッチング電源等の電力変換装置を構成する半導体装置に適用できる。
【符号の説明】
【００２８】
１ インバータモジュール
１０ 第１の配線基板
２０ 第２の配線基板
３０ 金属球
４０ 放熱部
５０ 半田
６０ 出力端子
１００ 第１の半導体チップ
２００ 第２の半導体チップ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の孔部を有する第１の配線基板と、
前記第１の孔部に対向する位置に第２の孔部を有する第２の配線基板と、
前記第１及び第２の孔部の孔径よりも大きい径を有し、前記第１の配線基板と前記第２の配線基板との間、且つ前記第１の孔部及び前記第２の孔部に設置され、前記第１及び第２の配線基板とそれぞれ接合された少なくとも１つの金属球と、
前記金属球の隣に間隔をおいて、前記第１の配線基板上に実装された第１の半導体チップとを備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第１の配線基板上に、さらに第２の半導体チップが実装され、前記金属球は、前記第１の半導体チップと前記第２の半導体チップとの間に設置されたことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
前記金属球は、一部が凸又は凹状に変形した略球形、又は端部が曲面を有する円柱形のいずれかを含む形状であることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記金属球は、銅コア材に半田層をコーティングした銅コア半田ボールからなることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置。
【請求項５】
前記半導体装置は放熱部を備えており、前記金属球は、前記第１の配線基板または第２の配線基板を介して、前記放熱部と隣り合う位置に設けられたことを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置。
【請求項６】
回転機器及び前記回転機器の動作を制御する制御部を備えた工作機械又はロボットの駆動装置において、前記制御部には請求項１又は２記載の半導体装置を備えたことを特徴とする駆動装置。
【請求項７】
直流電力から交流電力を電気的に生成する回路を備えたインバータ装置において、前記回路には請求項１又は２記載の半導体装置を備えたことを特徴とするインバータ装置。
【請求項８】
第１の配線基板及び第２の配線基板を準備する工程と、
前記第１及び第２の配線基板にそれぞれ第１の孔部及び第２の孔部を設ける工程と、
前記第１又は第２の配線基板のいずれかに半導体チップを実装するとともに、前記第１又は第２の孔部の一方の孔部に金属球を設置して、前記金属球が設置された前記第１又は第２の配線基板の一方の配線基板と前記金属球とを接合材により接合する工程と、
前記金属球を他方の孔部に設置することにより、前記第１の孔部と第２の孔部を対向させて前記第１の配線基板及び第２の配線基板の位置を整合する工程と、
前記金属球と他方の配線基板とを接合材により接合する工程とを有することを特徴とする半導体装置の実装方法。
【請求項１】
第１の孔部を有する第１の配線基板と、
前記第１の孔部に対向する位置に第２の孔部を有する第２の配線基板と、
前記第１及び第２の孔部の孔径よりも大きい径を有し、前記第１の配線基板と前記第２の配線基板との間、且つ前記第１の孔部及び前記第２の孔部に設置され、前記第１及び第２の配線基板とそれぞれ接合された少なくとも１つの金属球と、
前記金属球の隣に間隔をおいて、前記第１の配線基板上に実装された第１の半導体チップとを備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第１の配線基板上に、さらに第２の半導体チップが実装され、前記金属球は、前記第１の半導体チップと前記第２の半導体チップとの間に設置されたことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
前記金属球は、一部が凸又は凹状に変形した略球形、又は端部が曲面を有する円柱形のいずれかを含む形状であることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記金属球は、銅コア材に半田層をコーティングした銅コア半田ボールからなることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置。
【請求項５】
前記半導体装置は放熱部を備えており、前記金属球は、前記第１の配線基板または第２の配線基板を介して、前記放熱部と隣り合う位置に設けられたことを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置。
【請求項６】
回転機器及び前記回転機器の動作を制御する制御部を備えた工作機械又はロボットの駆動装置において、前記制御部には請求項１又は２記載の半導体装置を備えたことを特徴とする駆動装置。
【請求項７】
直流電力から交流電力を電気的に生成する回路を備えたインバータ装置において、前記回路には請求項１又は２記載の半導体装置を備えたことを特徴とするインバータ装置。
【請求項８】
第１の配線基板及び第２の配線基板を準備する工程と、
前記第１及び第２の配線基板にそれぞれ第１の孔部及び第２の孔部を設ける工程と、
前記第１又は第２の配線基板のいずれかに半導体チップを実装するとともに、前記第１又は第２の孔部の一方の孔部に金属球を設置して、前記金属球が設置された前記第１又は第２の配線基板の一方の配線基板と前記金属球とを接合材により接合する工程と、
前記金属球を他方の孔部に設置することにより、前記第１の孔部と第２の孔部を対向させて前記第１の配線基板及び第２の配線基板の位置を整合する工程と、
前記金属球と他方の配線基板とを接合材により接合する工程とを有することを特徴とする半導体装置の実装方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−２４９６３６（Ｐ２０１１−２４９６３６Ａ）
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１２２３９１（Ｐ２０１０−１２２３９１）
【出願日】平成２２年５月２８日（２０１０．５．２８）
【出願人】（０００００６６２２）株式会社安川電機 (2,482)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月２８日（２０１０．５．２８）
【出願人】（０００００６６２２）株式会社安川電機 (2,482)
【Ｆターム（参考）】
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