JP2019102772A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子の電極とリードフレームとの間を接合する接合材に、ボイドが形成されることを抑制する。【解決手段】本明細書が開示する半導体装置の製造方法は、電極を有する半導体素子及びリードフレームを用意する工程と、電極とリードフレームとの間に接合材を配置する工程と、接合材を水素雰囲気下で溶融して電極とリードフレームとを接合する工程とを備える。この製造方法では、電極と、リードフレームの表面と、接合材とのうちの少なくとも一つに、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｐｄ及びＭｇの少なくとも一つを配置又は添加する。【選択図】図４

Description

本明細書が開示する技術は、半導体装置の製造方法に関する。

特許文献１には、半導体装置が開示されている。この半導体装置では、電極を有する半導体素子とリードフレーム（ここでは絶縁基板）とが接合材を介して接合されている。

特開２００９−７０９２３号公報

通常、上記した半導体装置の製造工程では、電極を有する半導体素子とリードフレームとの間に、例えばシート状の接合材（典型的にははんだ）を配置し、その接合材を溶融するリフロー工程を実施する。これにより、半導体素子の電極とリードフレームとを互いに接合する。しかしながら、このような製造方法では、リフロー工程での加熱時に生じる半導体素子等の反り返りにより、半導体素子の電極とリードフレームとの間に雰囲気ガスが取り込まれてしまうことがある。半導体素子の電極とリードフレームとの間に取り込まれたガスは、リフロー工程後も接合材の内部に残存し、半導体素子の電極とリードフレームとの間にボイドを形成してしまう。なお、リフロー工程は、減圧された水素雰囲気下でよく行われ、この場合は、接合材の内部に水素が取り込まれることで、ボイドが形成されてしまう。上記課題を鑑み、本明細書は、半導体素子の電極とリードフレームとの間を接合する接合材に、ボイドが形成されることを抑制する技術を提供する。

本明細書が開示する半導体装置の製造方法は、電極を有する半導体素子及びリードフレームを用意する工程と、電極とリードフレームとの間に接合材を配置する工程と、接合材を水素雰囲気下で溶融して電極とリードフレームとを接合する工程とを備える。この製造方法では、電極と、リードフレームの表面と、接合材とのうちの少なくとも一つに、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｐｄ及びＭｇの少なくとも一つを配置又は添加する。

上記の半導体装置の製造方法では、半導体素子の電極と、リードフレームの表面と、接合材とのうちの少なくとも一つに、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｐｄ（パラジウム）及びＭｇ（マグネシウム）の少なくとも一つを配置又は添加する。これらＴｉ、Ｚｒ、Ｐｄ、及びＭｇは、水素の吸蔵能力が優れている。そのため、仮に溶融した接合材の内部に水素ガスが取り込まれても、溶融した接合材又はそれに隣接する位置に配置又は添加されたＴｉ、Ｚｒ、Ｐｄ、及びＭｇによって、取り込まれた水素ガスは吸蔵されていく。結果として、半導体素子の電極とリードフレームとの間を接合する接合材にボイドが形成されることが抑制される。

半導体装置１０の内部構造を示す断面図である。 半導体素子１２の下面電極１８とリードフレーム２との間にはんだ２８を配置する態様を示す。 半導体素子１２の下面電極１８とリードフレーム２とをはんだ層２８を介して接合する態様を示す。 半導体装置１０において、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｐｄ、及びＭｇを配置又は添加する実施例１の構成を模式図で示す。 半導体装置１０において、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｐｄ、及びＭｇを配置又は添加する実施例２の構成を模式図で示す。 半導体装置１０において、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｐｄ、及びＭｇを配置又は添加する実施例３の構成を模式図で示す。 半導体装置１０において、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｐｄ、及びＭｇを配置又は添加する実施例４の構成を模式図で示す。 半導体装置１０において、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｐｄ、及びＭｇを配置又は添加する実施例５の構成を模式図で示す。

（実施例１）図面を参照して、実施例の半導体装置１０とその製造方法について説明する。図１に示すように、半導体装置１０は、半導体素子１２、導体スペーサ２０、下側放熱板２２、上側放熱板２４及びモールド樹脂２６を備える。半導体素子１２は、パワー半導体素子である。ここでいうパワー半導体素子には、特に限定されないが、例えばダイオード素子、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）素子、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）素子又はその他の種類の半導体素子が含まれる。また、半導体素子１２に用いられる半導体材料についても特に限定されず、例えばＳｉ（シリコン）、ＳｉＣ（炭化シリコン）、又は、ＧａＮ（窒化ガリウム）といった窒化物半導体であってよい。半導体素子１２は、半導体基板１４と、上面電極１６と、下面電極１８とを備える。上面電極１６は、半導体基板１４の上面１４ａに位置しており、下面電極１８は、半導体基板１４の下面１４ｂに位置している。上面電極１６及び下面電極１８を構成する材料には、特には限定されないが、例えばニッケル又はその他の金属を採用することができる。半導体素子１２は、モールド樹脂２６内に封止されている。モールド樹脂２６は、例えばエポキシ樹脂といった熱硬化性の樹脂で構成されている。

導体スペーサ２０は、例えば銅又はその他の金属といった導電性を有する材料を用いて構成されることができる。導体スペーサ２０は、概して板形状あるいはブロック形状の部材であり、上面２０ａと、上面２０ａとは反対側に位置する下面２０ｂとを有する。導体スペーサ２０の下面２０ｂは、半導体素子１２の上面電極１６に、接合層（例えば、はんだ層３０）を介して接合されている。導体スペーサ２０の上面２０ａは、後述する上側放熱板２４の下面２４ｂに、接合層（例えば、はんだ層３２）を介して接合されている。これにより、導体スペーサ２０は半導体素子１２と電気的に接続されている。導体スペーサ２０は、必ずしも必要とされないが、信号端子（不図示）を半導体素子１２に接続する際のスペースを確保する。

下側放熱板２２及び上側放熱板２４は、例えば銅又はその他の金属といった、導電性を有する材料を用いて構成されることができる。下側放熱板２２は、例えば、概して板形状あるいは直方体形状の部材であり、上面２２ａとその上面２２ａの反対側に位置する下面２２ｂとを有する。下側放熱板２２の上面２２ａは、半導体素子１２の下面電極１８に接合層（例えば、はんだ層２８）を介して接続されている。これにより、下側放熱板２２は半導体素子１２と電気的に接続されている。本実施例において、一例ではあるが、下側放熱板２２の下面２２ｂは、モールド樹脂２６の外部に露出している。また、下側放熱板２２は、本技術におけるリードフレームに含まれる部材の一例である。

上側放熱板２４は、例えば、概して板形状あるいは直方体形状の部材であり、上面２４ａとその上面２４ａの反対側に位置する下面２４ｂとを有する。前述したように、上側放熱板２４の下面２４ｂは、導体スペーサ２０の上面２０ａに接合層（例えば、はんだ層３２）を介して接続されている。これにより、上側放熱板２４は、導体スペーサ２０と電気的に接続され、導体スペーサ２０を介して半導体素子１２と電気的に接続されている。本実施例においては、一例ではあるが、上側放熱板２４の上面２４ａは、モールド樹脂２６の外部に露出している。下側放熱板２２及び上側放熱板２４は、半導体素子１２と熱的にも接続されており、半導体素子１２で発生した熱を外部に放出する放熱板としても機能する。即ち、本実施例の半導体装置１０はモールド樹脂２６の両面に放熱板がそれぞれ露出する両面冷却構造を有する。但し、半導体装置１０は両面冷却構造に限定されず、例えば、下側放熱板２２の下面２２ｂ、又は、上側放熱板２４の上面２４ａのいずれか一方の面が、モールド樹脂２６の外部に露出している片面冷却構造を有していてもよい。

図２、３を参照して、半導体装置１０の製造方法について説明する。但し、ここでは特に、半導体素子１２とリードフレーム２とを積層する工程について説明する。他の構成要素を形成する工程については、公知である各種の手法を適宜用いて形成することができ、ここでは説明を省略する。先ず、半導体素子１２と下側放熱板２２を有するリードフレーム２を用意する。次いで、図２に示すように、半導体素子１２の下面電極１８とリードフレーム２の上面２ａとの間に、はんだ２８を配置する。ここでいうはんだ２８は、接合材の一例であり、例えばシート形状のものを採用することができる。このはんだ２８は、前述したはんだ層２８を構成することから、ここでは同じ符号を付して説明する。なお、本実施例におけるはんだ２８は、Ｓｎ（錫）を主成分とし、Ｃｕ（銅）等が添加されたものであってよい。また、リードフレーム２の表面には、Ｎｉ（ニッケル）層４８が形成されていてもよい（図４−図８参照）。

次いで、図３に示すように、リフロー工程を実施する。はんだ２８を例えばリフロー炉などで溶融し、半導体素子１２の下面電極１８とリードフレーム２とを互いに接合する。このリフロー工程は、減圧された水素雰囲気下で実施される。このリフロー工程では、加熱時に生じる半導体素子１２等の反り返りにより、半導体素子１２の下面電極１８とリードフレーム２との間に、雰囲気ガス（ここでは水素ガス）が取り込まれてしまうことがある。半導体素子１２の下面電極１８とリードフレーム２との間に取り込まれたガスは、リフロー工程後もはんだ層２８の内部に残存し、半導体素子１２の下面電極１８とリードフレーム２との間にボイドＸを形成してしまう。

上記課題を解決するために、本実施例の製造工程では、半導体素子１２の下面電極１８に、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｐｄ及びＭｇの少なくとも一つが添加されている。これらＴｉ、Ｚｒ、Ｐｄ及びＭｇは、水素の吸蔵能力が優れている。そのため、仮に溶融したはんだ２８の内部に水素ガスが取り込まれても、溶融したはんだ２８に隣接する位置に添加されたＴｉ、Ｚｒ、Ｐｄ、及びＭｇによって、取り込まれた水素ガスは吸蔵されていく。結果として、半導体素子１２の下面電極１８とリードフレーム２との間を接合するはんだ２８に、ボイドＸが形成されることが抑制される。以下では、説明の便宜上、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｐｄ及びＭｇを、水素吸蔵材Ｍと総称する。

半導体素子１２の下面電極１８に、水素吸蔵材Ｍを添加する方法は特に限定されない。図４に示すように、本実施例における下面電極１８は、Ａｌ（アルミニウム）系金属層４０（例えば、Ａｌ−Ｓｉ（アルミニウム−シリコン）層）、Ｔｉ層４２、Ｎｉ層４４及びＡｕ（金）層４６を有しており、Ｎｉ層４４に水素吸蔵材Ｍが添加されている。Ｎｉ層４４に水素吸蔵材Ｍを添加するためには、例えば、Ｎｉ層４４を形成する際に、Ｎｉと水素吸蔵材Ｍとを用いた共スパッタ法を採用することが考えられる。Ｎｉ層４４の厚み寸法は、例えば約１マイクロメートルであってよい。ここで、Ｎｉ層４４は、それを保護するＡｕ層４６によって覆われているが、リフロー工程における加熱時において、Ａｕ層４６はＮｉ層４４又ははんだ２８中に拡散される。そのため、Ｎｉ層４４は、溶融したはんだ２８層と直接的に接触する。これにより、リフロー工程において溶融したはんだ２８の内部に水素ガスが取り込まれても、溶融したはんだ２８に隣接するＮｉ層４４に添加された水素吸蔵材Ｍによって、取り込まれた水素ガスは吸蔵されていく。

水素吸蔵材Ｍを添加又は配置する位置は、様々に変更可能である。以下では、図５−８を参照して、他の実施例２−５について説明する。なお、図４−８において、水素吸蔵材Ｍを含む構成要素には、斜線が付されている。

（実施例２）図５に示すように、本実施例では、下面電極１８のＮｉ層４４とＡｕ層４６との間に、水素吸蔵材Ｍで形成された水素吸蔵層４５が配置されており、この点において実施例１とは異なる。この水素吸蔵層４５は、Ａｌ系金属層４０、Ｔｉ層４２及びＮｉ層４４の順に、例えばスパッタリングなどによって積層した後、同様にスパッタリングなどによって形成されてよい。次いで、Ａｕ層４６も同様に形成される。前述したように、Ａｕ層４６は、リフロー工程中にＮｉ層４４又ははんだ２８中に拡散されるので、水素吸蔵層４５は溶融したはんだ２８と直接的に接触する。これにより、リフロー工程において溶融したはんだ２８の内部に水素ガスが取り込まれても、溶融したはんだ２８に隣接する位置に配置された水素吸蔵層４５によって、取り込まれた水素ガスは吸蔵されていく。結果として、半導体素子１２の下面電極１８とリードフレーム２との間を接合するはんだ２８に、ボイドＸが形成されることが抑制される。また、本実施例では、実施例１と比較して、水素吸蔵材Ｍがよりはんだ２８に近接して配置されるとともに、Ｎｉ層４４の厚み寸法にかかわらず、水素吸蔵層４５の厚み寸法を自由に設計することができる。従って、はんだ２８内部の水素ガスと水素吸蔵材Ｍとの接触密度を高くすることができ、より効果的に水素ガスを吸蔵することができる。

（実施例３）図６に示すように、本実施例では、はんだ２８に水素吸蔵材Ｍが添加されており、この点において、実施例１、２とは異なる。はんだ２８に水素吸蔵材Ｍを添加するために、例えば鋳造等によってはんだ２８のシート材を製造するときに、水素吸蔵材Ｍを添加すればよい。これにより、リフロー工程において溶融したはんだ２８の内部に水素ガスが取り込まれても、溶融したはんだ２８に添加された水素吸蔵材Ｍによって、取り込まれた水素ガスは吸蔵されていく。結果として、半導体素子１２の下面電極１８とリードフレーム２との間を接合するはんだ２８に、ボイドＸが形成されることが抑制される。また、実施例１におけるＮｉ層４４の厚み寸法が約１マイクロメートルであるのに対して、はんだ２８の厚み寸法は約１５０マイクロメートルであって十分に大きい。そのため、水素吸蔵材Ｍが水素ガスを吸蔵し得る確率を高めることができる。さらに、水素吸蔵材Ｍをはんだ２８の内部に添加しているため、はんだ２８の内部に取り込まれた水素全てを効果的に吸蔵することが可能になる。

（実施例４）図７に示すように、本実施例では、実施例３と同様に、はんだ２８の内部に水素吸蔵材Ｍが添加されている。しかしながら、本実施例では、水素吸蔵材Ｍが粒子形状で添加されおり、この点において実施例３とは異なっている。水素吸蔵材Ｍの粒子径は、数百ナノメートルから数十マイクロメートル程度であってもよい。このような構成においてもリフロー工程において溶融したはんだ２８の内部に水素ガスが取り込まれたときに、溶融したはんだ２８の内部に添加された水素吸蔵材Ｍによって、取り込まれた水素ガスは吸蔵されていく。結果として、半導体素子１２の下面電極１８とリードフレーム２との間を接合するはんだ２８に、ボイドＸが形成されることが抑制される。実施例３では、合金として水素吸蔵材Ｍをはんだ２８に添加している。このような場合、はんだ２８の結晶の微細化や添加物の析出を生じさせるおそれがあり、その結果、はんだ２８の機械的強度が無用に高くなるおそれがある。それに対して、本実施例のように粒子形状の水素吸蔵材Ｍをはんだ２８に添加することで、水素吸蔵の効果を得るとともに、はんだ２８の機械的強度が無用に高くなることを抑制することができる。

（実施例５）図８に示すように、本実施例では、リードフレーム２の表面（Ｎｉ層４８の上面）に、水素吸蔵材Ｍで形成された水素吸蔵層４７が配置されており、この点において他の実施例とは異なる。水素吸蔵層４７は、Ｎｉ層４８と同様に、例えばスパッタリング等で形成することができる。このような構成においても、リフロー工程において溶融したはんだ２８の内部に水素ガスが取り込まれたときに、溶融したはんだ２８に隣接する位置に配置された水素吸蔵層４７によって、取り込まれた水素ガスは吸蔵されていく。結果として、半導体素子１２の下面電極１８とリードフレーム２との間を接合するはんだ２８にボイドＸが形成されることが抑制される。特に、はんだ２８の内部に取り込まれた水素は、はんだ濡れ性の違いにより、半導体素子１２側よりもリードフレーム２側に凝集しやすい。このため、本実施例のように、リードフレーム２上に水素吸蔵層４７を配置することで、取り込まれた水素を効果的に吸蔵することが可能になる。

以上、いくつかの具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものである。

２：リードフレーム
１０：半導体装置
１２：半導体素子
１４：半導体基板
１６：上面電極
１８：下面電極
２０：導体スペーサ
２２：下側放熱板
２４：上側放熱板
２６：モールド樹脂
２８、３０、３２：はんだ（層）
４０：Ａｌ系金属層
４２：Ｔｉ層
４４：Ｎｉ層
４５、４７：水素吸蔵層
４６：Ａｕ層
４８：Ｎｉ層
Ｍ：水素吸蔵材
Ｘ：ボイド

Claims (1)

1. 電極を有する半導体素子及びリードフレームを用意する工程と、
   前記電極と前記リードフレームとの間に接合材を配置する工程と、
   前記接合材を水素雰囲気下で溶融して前記電極と前記リードフレームとを接合する工程と、
   を備え、
   前記電極と、前記リードフレームの表面と、前記接合材とのうちの少なくとも一つに、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｐｄ及びＭｇの少なくとも一つを配置又は添加する、
   半導体装置の製造方法。

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