JP4600065B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は半導体装置及びその製造方法に関し、特に、パワーモジュールなどの、回路基板の一方の面に半導体チップを、他方の面に半導体チップで発生した熱を放熱させる金属ベースを接合した半導体装置及びその製造方法に関する。
パワーモジュールなどの半導体装置の製造の際、半田付けにより金属ベース上へ複数の放熱絶縁基板の接合を行っている。その際、従来では、一般に市販されているソルダレジストを金属ベース上へ印刷し、乾燥させて半田流れを防止していた（例えば特許文献１参照）。また、ソルダレジストが使用できない組み立て環境下では、基板を位置決め治具などで固定して半田接合を行っていた。
一方で、半田流れを防止するために、レーザービームにより金属ベースへ酸化膜や凹みを形成する方法もあるが、半田の量が多くなると（厚さで０．０５ｍｍ以上）ほとんど効果がない。
特開平６−２４４２２４号公報（段落番号〔００１０〕）
しかし、従来のソルダレジストでは印刷用のスクリーンを製版製作することと、印刷から乾燥までの工程に費用及び時間がかかるという問題があった。
また、ソルダレジストは、一般にエポキシ樹脂などの有機物なので、半田耐熱がそれほど高くなく、例えば、水素ガス雰囲気中のフラックスレス半田付けの際に、ソルダレジストからのアウトガスの発生により半田付け性が阻害され、装置の汚染などの問題があり、使用が制限されていた。
また、ソルダレジストは、一般にエポキシ樹脂などの有機物なので、半田耐熱がそれほど高くなく、例えば、水素ガス雰囲気中のフラックスレス半田付けの際に、ソルダレジストからのアウトガスの発生により半田付け性が阻害され、装置の汚染などの問題があり、使用が制限されていた。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、半田流れを防止するためのダム材の作成が容易であり、しかも信頼性の高い半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明では上記問題を解決するために、回路基板の一方の面に半導体チップを、他方の面に前記半導体チップで発生した熱を放熱させる金属ベースを接合した半導体装置において、複数の前記回路基板を前記金属ベース上へ接合する際に用いる半田の流動を制限するように、ダム材が鉛筆で所定のパターンで描画され前記金属ベース上に配置されたダム部を有することを特徴とする半導体装置が提供される。
上記の構成によれば、鉛筆で所定のパターンで描画して金属ベース上に配置したダム部により、複数の回路基板を金属ベース上へ接合する際に用いる半田の流動を制限する。
本発明は、従来のソルダレジストと異なり、鉛筆で所定のパターンで描画して金属ベース上に配置したダム部により、複数の回路基板を金属ベース上へ接合する際に用いる半田の流動を制限するので、半田付け時の半田流れを防止可能な半導体装置を容易に作成できる。また、従来のように印刷用のスクリーンの製版製作や印刷を行わないので、コストの削減も期待できる。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施の形態の半導体装置の主要部の斜視図である。
本実施の形態の半導体装置１０は、回路基板１１の一方の面に半導体チップ１２を、他方の面にこの半導体チップ１２で発生した熱を放熱させる金属ベース１３を接合したものであり、複数の回路基板１１を金属ベース１３上へ接合する際に用いる半田１４の流動を制限するダム材１５を金属ベース１３上に配置した構成となっている。
図１は、本実施の形態の半導体装置の主要部の斜視図である。
本実施の形態の半導体装置１０は、回路基板１１の一方の面に半導体チップ１２を、他方の面にこの半導体チップ１２で発生した熱を放熱させる金属ベース１３を接合したものであり、複数の回路基板１１を金属ベース１３上へ接合する際に用いる半田１４の流動を制限するダム材１５を金属ベース１３上に配置した構成となっている。
ここで、回路基板１１は、セラミックス基板の表裏両面に直接接合法（Direct Bonding）や、活性金属接合法（Active Metal Bonding）などにより、導体パターンを接合して構成された放熱絶縁基板であり、以下、銅をセラミックス基板の表裏両面に接合した、ＤＣＢ（Direct Copper Bonding）基板を用いるものとして説明する。
半導体チップ１２は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのパワーモジュール用の素子であり、図示しない半田により回路基板１１に接合される。
金属ベース１３は、搭載されている半導体チップ１２で発生した熱を放熱させる機能を有するヒートシンクであり、例えば、Ｎｉ（ニッケル）がめっきされたＣｕ（銅）が用いられる。
金属ベース１３は、搭載されている半導体チップ１２で発生した熱を放熱させる機能を有するヒートシンクであり、例えば、Ｎｉ（ニッケル）がめっきされたＣｕ（銅）が用いられる。
本実施の形態の特徴部であるダム材１５は、金属ベース１３上に、描画や、溶射法や、めっきによって所定のパターンのダム部として形成されている。
図２、３は、ダム部のパターンを示す図である。
図２、３は、ダム部のパターンを示す図である。
図２（Ａ）で示すダム部１５ａのパターンは一般的なものであり、それぞれの回路基板１１の裏面の銅板外形１１ａ（点線で図示している（以下の図も同様））を囲うようにダム部１５ａを形成するパターンである。図２（Ｂ）は、６つの回路基板１１の銅板外形１１ａを囲うようにダム部１５ｂを形成するパターンである。これは、半田量が少なく、回路基板１１間での半田の流出が少ない場合に用いられる。
図３（Ａ）で示すダム部１５ｃのパターンは、それぞれの回路基板１１の裏面の銅板外形１１ａと同寸法か、少し小さめに形成した例である。また、図３（Ｂ）で示すダム部１５ｄのパターンは、それぞれの回路基板１１の銅板外形１１ａ間にのみに形成した例であり、図１に示したものと同じである。使用する半田の量が多い場合は、この図３（Ｂ）のように、パターンの幅を太くしたダム部１５ｄを形成すると、効果的に半田の流出を防止できる。また、半田の流出があっても支障がない側はパターンを形成しないようにすれば、半田付け時にそちら側に半田が流れ、流出を防止したい側の半田の流出を効果的に防止できる。
以下、ダム材１５の形成方法について説明する。
ダム材１５に用いる材料は、半田耐熱性の高い無機材料を主成分とするものを用いる。具体的には、カーボンやセラミックスの微粒子を主成分とし、このような微粒子を揮発性のあるバインダーと混成したものを用いる。セラミックスを主成分としたダム材として、セラミックス製の部材の接合に用いるセラミックス接着剤を適用してもよい。セラミックス接着剤は、珪酸と硼酸を主成分とし１０００℃以上に耐える。ただし、セラミックス接着剤の中で、有機バインダーが乾燥後に残らないものを用いる。これにより、水素還元雰囲気での半田付けに使用できる。セラミックス系の場合は、絶縁性がよいものを選び厚く塗布することで、ダム効果と電気的絶縁が更に高まる。これらの材料により、例えば、ディスペンサによる微小塗布技術を用い、金属ベース１３上に所定のパターンのダム材１５を描画して形成する。スクリーン印刷の手法を用いてもよい。これにより、数のまとまった量産品を、効率よくインライン自動化で製造することができ、半導体装置１０の高品質・高信頼性・低価格・製作期間短縮が図れる。
ダム材１５に用いる材料は、半田耐熱性の高い無機材料を主成分とするものを用いる。具体的には、カーボンやセラミックスの微粒子を主成分とし、このような微粒子を揮発性のあるバインダーと混成したものを用いる。セラミックスを主成分としたダム材として、セラミックス製の部材の接合に用いるセラミックス接着剤を適用してもよい。セラミックス接着剤は、珪酸と硼酸を主成分とし１０００℃以上に耐える。ただし、セラミックス接着剤の中で、有機バインダーが乾燥後に残らないものを用いる。これにより、水素還元雰囲気での半田付けに使用できる。セラミックス系の場合は、絶縁性がよいものを選び厚く塗布することで、ダム効果と電気的絶縁が更に高まる。これらの材料により、例えば、ディスペンサによる微小塗布技術を用い、金属ベース１３上に所定のパターンのダム材１５を描画して形成する。スクリーン印刷の手法を用いてもよい。これにより、数のまとまった量産品を、効率よくインライン自動化で製造することができ、半導体装置１０の高品質・高信頼性・低価格・製作期間短縮が図れる。
また、ダム材１５として、鉛筆の芯などの固形のカーボンを用いてもよい。鉛筆の芯はカーボンのほかに粘土が含まれるが、半田付けに問題はなく、半田をはじく効果のほうが大きい。鉛筆を用いた描画の際には、例えばテンプレートを重ねてパターンを描画する。このとき、カーボンをより多く金属ベース１３に付着させるために、鉛筆の芯の硬さは２Ｂ〜６Ｂのものが望ましい。描画後は、エアーなどで不要な（表面に浮いている）ものを除去する。
パターン描画は、デジタルデータに基づいてディスペンサを用いて自動的に行うようにしてもよいが、特に鉛筆描画のような場合は、人手によって描画するようにしてもよい。これは、少量多品種の製品を製作するのに向いている。この場合でも、品質・信頼性・価格・製作期間短縮を十分満足する。
また、半田濡れ性の低い（半田が濡れない）金属またはセラミックスを主成分としたダム材１５を、金属ベース１３上に溶射してダム部を形成してもよい。溶射法は、コーティング材料を加熱により溶融もしくは軟化させ、微粒子状にして加速し被覆対象物表面に衝突させて、扁平に潰れた粒子を凝固・堆積させることにより皮膜を形成する方法である。溶射法には、常温溶射やプラズマ溶射法などがある。また、半田が濡れない金属の例として、Ａｌ（アルミニウム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、Ｃｒ（クロム）などがある。溶射法はコストが高めとなるが、使える素材が多く、厚さを自由に設定でき、製品の用途にあった材質選定が可能である。
また、Ｃｒなどのダム材は、めっきにより所定のパターンのダム部を形成できる。めっきは厚さを０．０１ｍｍ以下にできるので厚さの制限をしたい場合に用いる。また、金属ベース１３のＮｉめっき工程につづいて所望のパターンでＣｒめっきを施しておけばよい。
このようなダム部を金属ベース１３上に形成することで、半田の流動を制限でき、エポキシ樹脂などの有機物からなるソルダレジストとして用いた場合のように、半田付け時のアウトガスの発生させることがない。これにより、半田付け時において、半田付け性が阻害されることがなく、装置汚染も回避できる。
上記のように構成した半導体装置１０に更に、基板位置決め用のカーボン治具と、カーボン材などの仕切り板を用いるとさらに効果的に半田の流出が防止できる。
図４は、金属ベースへカーボン治具を取り付けた状態を示す図である。
図４は、金属ベースへカーボン治具を取り付けた状態を示す図である。
カーボン治具は、外枠１６ａと、内駒１６ｂとから構成され、回路基板１１、半導体チップ１２、金属ベース１３と、半田１４（ここでは図示を省略している）の位置を固定する。また、仕切り板１７を図１で示したダム部の上部に配置しており、半田量が多い時に半田流れを効果的に防止できる。仕切り板１７は、半田接合部の近傍に配されるため、半田濡れ性の低い材料を選択する必要がある。半田濡れ性の低い材料にセラミックスがある。しかし、セラミックスは剛性がカーボンに比べて高いため、半田付け後の金属ベース１３の収縮により、仕切り板１７が回路基板１１間に挟まれたとき回路基板１１を破損してしまうことがあるので、仕切り板１７はカーボン製とするのが好適である。ウェイト１８は、回路基板１１を押さえるためのものである。
図４のような構成のまま水素雰囲気中にて加熱半田付けを行うことによって各部（回路基板１１と半導体チップ１２及び金属ベース１３）の接合を行う。これにより、効果的に半田の流出が防止でき、回路基板１１同士の機械的破損の防止と電気的絶縁が図れる。
１０ 半導体装置
１１ 回路基板
１２ 半導体チップ
１３ 金属ベース
１４ 半田
１５ ダム材
１１ 回路基板
１２ 半導体チップ
１３ 金属ベース
１４ 半田
１５ ダム材
Claims (3)
- 回路基板の一方の面に半導体チップを、他方の面に前記半導体チップで発生した熱を放熱させる金属ベースを接合した半導体装置において、
複数の前記回路基板を前記金属ベース上へ接合する際に用いる半田の流動を制限するように、ダム材が鉛筆で所定のパターンで描画され前記金属ベース上に配置されたダム部を有することを特徴とする半導体装置。 - 回路基板の一方の面に半導体チップを、他方の面に前記半導体チップで発生した熱を放熱させる金属ベースを接合した半導体装置を製造する半導体装置の製造方法において、
複数の前記回路基板を前記金属ベース上へ接合する際に用いる半田の流動を制限するように、前記金属ベース上にダム材を鉛筆で所定のパターンで描画して、ダム部を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記ダム部上に、
前記半田の流れ出しを防止し、内駒によって所定の位置に位置決めされた前記半導体チップが接合されたセラミックスの前記回路基板を前記金属ベース上に配置された外枠内の所定の位置に拘束するカーボン製の仕切り板を配置したことを特徴とする請求項２記載の半導体装置の製造方法。
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