JP2010103206A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Takahiro Matsuo
隆広 松尾
Akio Furusawa
彰男 古澤
Shigeaki Sakatani
茂昭 酒谷
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Panasonic Corp
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Abstract

【課題】ダイパッド上への半導体素子のはんだ付けを安定して行えるようにする。
【解決手段】半導体装置は、表面に第１のはんだ接合層が形成された金属からなるダイパッド３と、ダイパッド３における第１のはんだ接合層１１の上に、ビスマスを主成分とするはんだ材９により固着された半導体素子５とを有している。第１のはんだ接合層１１は、はんだ材９よりも軟らかい材料からなり、第１のはんだ接合層１１の一部には、はんだ材９が押圧されてなる窪み部１１ａが形成され、はんだ材９の一部は、窪み部１１ａに充填されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。
例えば、ＴＶ受像機等の電子機器の電源部に利用される半導体装置は、一般に金属からなるダイパッドと、該ダイパッドの上にはんだ材を介して固着された半導体素子（半導体チップ）とを備えた構成を持つ。
このような半導体装置は、まず、加熱したダイパッドの上に球状のはんだ材を配置し、配置されたはんだ材をダイパッドの上に押し広げると共に溶融させ、溶融状態にあるはんだ材の上に半導体素子を押し付ける。その後冷却することにより、半導体素子をはんだ材でダイパッド上に固着することにより得られる（例えば、特許文献１を参照。）。
特開２００２−１５６５６１号公報
近年、はんだ材の鉛フリー化が推進されているが、半導体装置、特にパワー系半導体装置において、ダイパッドと半導体素子とを固着しているはんだ材はその代替材料がなく、現在でも鉛を主成分とするはんだ材を使用しており、早急な鉛フリー化が要望されている。
しかしながら、従来の錫（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）系の鉛フリーはんだ材でダイパッドと半導体素子を固着させた場合、その融点が２２０℃と低いため、半導体装置をプリント配線板に実装する時の熱により、はんだ材が再溶融し、その溶融はんだ材が半導体素子上に流れ込みショートを引き起こすため、従来の鉛フリーはんだをダイパッドと半導体素子との固着材として採用することができなかった。
そこで、溶融温度が高い鉛フリーはんだ材が研究されているものの、今度は溶融温度が高いことから、ダイパッド上への半導体素子のはんだ付けが安定しないという問題が発生する。
具体的には、はんだ材の上には半導体素子が実装されるため、溶融温度が高いはんだ材であっても、実質上は半導体素子が熱破壊されない程度の温度にまでしか加熱することができず、その結果、半導体素子のダイパッド上へのはんだ付けを安定して行うことができない。
本発明は、前記従来に問題を解決し、ダイパッド上への半導体素子のはんだ付けを安定して行えるようにすることを目的とする。
前記の目的を達成するため、本発明は、半導体装置を、ダイパッド上に形成されるはんだ接合層よりも硬度が高いはんだ材を用いることにより、はんだ接合層に窪み部（凹部）を形成し、形成された窪み部にはんだ材の一部を充填する構成とする。
具体的に、本発明に係る半導体装置は、表面に第１のはんだ接合層が形成された金属からなるダイパッドと、ダイパッドにおける第１のはんだ接合層の上に、ビスマスを主成分とするはんだ材により固着された半導体素子とを備え、第１のはんだ接合層は、はんだ材よりも軟らかい材料からなり、第１のはんだ接合層の一部には、はんだ材が押圧されてなる窪み部が形成され、はんだ材の一部は、窪み部に充填されていることを特徴とする。
本発明の半導体装置によると、ダイパッド上に形成される第１のはんだ接合層に、ビスマスを主成分とするはんだ材よりも軟らかい材料を用いているため、はんだ材を第１のはんだ接合層に押し付けることにより、第１のはんだ接合層の一部にダイパッド側に窪む窪み部を形成することができる。これにより、窪み部にはんだ材が充填されるため、ダイパッド上の第１のはんだ接合層とはんだ材との接合面積が増大する。その結果、ダイパッドとはんだ材との間の接続強度が強化されるので、ダイパッド上への半導体素子のはんだ付けが安定する。
本発明の半導体装置において、第１のはんだ接合層は、銀又は銀を主成分とする金属からなることが好ましい。
本発明の半導体装置において、はんだ材は、ビスマス、銅及びゲルマニウムを含むことが好ましい。
本発明の半導体装置において、ダイパッドは、銅又は銅を主成分とする金属からなることが好ましい。
本発明の半導体装置において、第１のはんだ接合層の窪み部には、ダイパッドが露出する開口部が形成され、形成された開口部を介してはんだ材がダイパッドの表面と接していることが好ましい。
この場合に、開口部の外周部分におけるダイパッドと第１のはんだ接合層との間には、はんだ材が進入していることが好ましい。
本発明の半導体装置において、半導体素子におけるはんだ材と対向する面上には、第２のはんだ接合層が形成されており、第２のはんだ接合層は銀又は銀を主成分とする金属からなることが好ましい。
この場合に、半導体素子と第２のはんだ接合層との間には、半導体素子から第２のはんだ接合層に向かって、接着層、中間接合層及びバリア層が順次形成されていることが好ましい。
また、この場合に、接着層はクロムからなり、中間接合層はニッケルとクロムとの合金からなり、バリア層はニッケルからなることが好ましい。
本発明に係る半導体装置の製造方法は、ダイパッドの表面に形成された第１のはんだ接合層の上に、球状のはんだ材を押し付けることにより、第１のはんだ接合層に窪み部を形成する工程（ａ）と、工程（ａ）よりも後に、はんだ材を第１のはんだ接合層の上に押し広げる工程（ｂ）と、工程（ｂ）よりも後に、押し広げられたはんだ材の上に半導体素子を押し付ける工程（ｃ）とを備えていることを特徴とする。
本発明の半導体装置の製造方法は、工程（ａ）よりも前に、ダイパッドを加熱する工程（ｄ）をさらに備えていることが好ましい。
本発明の半導体装置の製造方法は、工程（ａ）において、第１のはんだ接合層に形成された窪み部には、ダイパッドを露出する開口部が形成され、形成された開口部を介してはんだ材がダイパッドの表面と接触することが好ましい。
本発明に係る半導体装置及びその製造方法によると、ダイパッド上に形成された第１のはんだ接合層とはんだ材との接合面積が増大するため、ダイパッドとはんだ材との間の接続強度が強化されるので、ダイパッド上への半導体素子のはんだ付けが安定する。
（一実施形態）
本発明の一実施形態について図面を用いて説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る半導体装置であって、例えばＴＶ受像機の電源部に利用される半導体装置を示している。また、図２は封止樹脂部を省略した平面構成を示している。電源部に用いられる半導体装置は、数十アンペアから百アンペア程度の電流が流れる。この電流に伴う発熱により半導体素子が破壊されるのを防止するため、図１及び図２に示すように、肉厚が十分に厚い銅（Ｃｕ）からなり、且つ複数の外部リード１、複数の内部リード２、ダイパッド３及び放熱部４が形成されたリードフレームを用いている。放熱部４は、ダイパッド３における外部リード１と反対側に一体に形成されている。また、外部リード１と内部リード２とはそれぞれ一体に形成され、且つ複数の外部リード１及び複数の内部リード２のうちの１つは、ダイパッド３と一体に形成されている。
図２に示すように、ダイパッド３の上には半導体素子（半導体チップ）５が実装され、半導体素子５に形成された電極６と、ダイパッド３と接続されない内部リード２との間は、例えばアルミニウム（Ａｌ）からなるワイヤ７によって電気的に接続されている。
半導体素子５、ワイヤ７、内部リード２及びダイパッド３は、封止樹脂部８（図２では省略）で覆われている。
なお、放熱部４には、ねじ止め孔４ａが形成されており、該ねじ止め孔４ａをねじによって電源部の放熱機構（図示せず）に固持すれば、半導体素子５の発熱をダイパッド３、放熱部４及びねじを介して放熱機構に放熱させることができる。
図３に示すように、半導体素子５は、はんだ材９によりダイパッド３に固着される。具体的には、図４に示すように、ダイパッド３の表面上には、真空蒸着法又はスパッタ法等により、例えば厚さが０．１μｍ〜０．４μｍ程度の銅からなる活性層１０が設けられている。本実施形態においては、銅からなる活性層１０も含めてダイパッド３として取り扱う。なお、外部リード１及び内部リード２を含めダイパッド３には銅を用いたが、銅のみに限られず、銅の他に銀（Ａｇ）又はコバルト（Ｃｏ）を含む合金であってもよい。
活性層１０の上には、鍍金により形成された厚さが１μｍ〜４μｍ程度の銀（Ａｇ）からなる第１のはんだ接合層１１が設けられており、半導体装置の製造時には、ダイパッド３、活性層１０及び第１のはんだ接合層１１の３層構造で扱われる。
半導体素子５の下部は、例えばシリコン（Ｓｉ）からなる半導体基板であり、該半導体基板の下面には、真空蒸着法又はスパッタ法により、厚さが０．０５μｍ程度のクロム（Ｃｒ）からなる接着層１２、厚さが０．０５μｍ程度のニッケル（Ｎｉ）−クロム（Ｃｒ）合金からなる中間接合層１３及び厚さが０．３μｍ程度のニッケル（Ｎｉ）からなるバリア層１４が順次形成され、該バリア層１４の下面には、真空蒸着又は鍍金による銀からなり、厚さが０．５μｍ〜５μｍ程度の第２のはんだ接合層１５が形成されている。すなわち、これら接着層１２、中間接合層１３、バリア層１４及び第２のはんだ接合層１５により、半導体素子５の裏面電極１６が形成されている。
なお、第１のはんだ接合層１１及び第２のはんだ接合層１５には銀を用いたが、銀のみに限られず、銀の他にコバルト（Ｃｏ）又は銅（Ｃｕ）を含む合金であってもよい。
また、接着層１２はクロムを主成分とする合金でもよく、中間接合層１３はニッケル−クロム合金を主成分とする合金でもよく、バリア層１４は、ニッケルを主成分とする合金でもよい。
以上のような構成を持つダイパッド３及び半導体素子５において、ダイパッド３上の第１のはんだ接合層１１と、半導体素子５の裏面電極１６を構成する第２のはんだ接合層１５との間に、はんだ材９が介在し、該はんだ９材によってダイパッド３の上に半導体素子５が実装されて固着される。なお、図４に示した符号９ａは、共に銀からなる第１のはんだ接合層１１及び第２のはんだ接合層１５からはんだ材９の内部に拡散した銀の拡散フロートを示している。
図４に示すように、本実施形態においては、はんだ材９の硬度を第１のはんだ接合層１１の硬度よりも高く設定しているため、製造時に第１のはんだ接合層１１には、はんだ材９によって押圧されてなる窪み部１１ａが形成されている。さらに、窪み部１１ａの下部には、その下側の活性層１０、すなわちダイパッド３を露出する開口部１１ｂが形成されている。従って、はんだ材９の下部の一部は、窪み部１１ａに充填されると共に、開口部１１ｂの外周部分におけるダイパッド３と第１のはんだ接合層１１との間に、はんだ材９が進入している。
このように、本実施形態に係る半導体装置は、窪み部１１ａにはんだ材９が充填されているため、ダイパッド３上の第１のはんだ接合層１１とはんだ材９との接合面積が増大するので、第１のはんだ接合層１１とはんだ材９との接続強度が強化される。その結果、ダイパッド３上への半導体素子５のはんだ付けが安定する。
以下、前記のように構成された半導体装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。
図５〜図１１は本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の工程順の断面構成を示している。
まず、図５に示すように、あらかじめ表面に活性層１０（図示せず）及び第１のはんだ接合層１１が形成されたダイパッド３をヒートブロック１７の上に配置し、その後、還元雰囲気、例えばグリーンガス（窒素（Ｎ２）と水素（Ｈ２）との混合ガス)、又は非酸化雰囲気、例えば窒素（Ｎ２）雰囲気で、約３１０℃に加熱する。
次に、図６に示すように、還元雰囲気又は非酸化雰囲気で加熱されているダイパッド３のはんだ接合層１１の上に、球状のはんだ材９Ａを押し付ける。はんだ材９Ａは、ビスマス（Ｂｉ）を主成分とし、銅（Ｃｕ）及びゲルマニウム（Ｇｅ）と不可避成分により構成され、融点は約２７０℃である。ここで、はんだ材９Ａには、ビスマスが約９８％（以下、重量％を％と表示する。）、銅が約２％、及びゲルマニウムが約０．０６％含まれており、また、不可避成分は、例えば鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉛（Ｐｂ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、カドミウム（Ｃｄ）又は砒素（Ａｓ）からなり、それぞれ約０．０１％未満含まれている。
はんだ材９Ａのモース硬度は約２．５であり、その下の第１のはんだ接合層１１のモース硬度の約２．０よりも高い。
従って、図６の領域ＶIIの部分拡大図である図７に示すように、球状のはんだ材９Ａを、第１のはんだ接合層１１に押し付けると、はんだ材９Ａよりも軟らかい第１のはんだ接合層１１には窪み部１１ａが形成される。
さらに、図８に示すように、はんだ材９Ａを押し付けると、窪み部１１ａの下部の一部に開口部１１ｂが形成され、やがては、形成された開口部１１ｂを介してダイパッド３の活性層１０と第１のはんだ接合層１１との間にはんだ材９Ａの一部が進入する。すなわち、はんだ材９Ａが、開口部１１ｂの周囲に位置する第１のはんだ接合層１１の代わりに、活性層１０と第１のはんだ接合層１１との間の開口部１１ｂの外側の領域にも拡がり、この状態で活性層１０とはんだ材９Ａの一部とが接合される。
このように、本実施形態においては、はんだ材９Ａの下部は窪み部１１ａに充填されるだけでなく、ダイパッド３の活性層１０に対しても広い範囲（開口部１１ｂの外側領域）で接合されるため、はんだ材９Ａの下部がダイパッド３と接合される強度が高くなる。
なお、第１のはんだ接合層１１におけるはんだ材９Ａの下側に開口部１１ｂが形成されること、及びはんだ材９Ａが開口部１１ｂの外側にも拡がり、その状態でダイパッド３の活性層１０とはんだ材９Ａの一部が接合されることの理由は、未だ十分には明確となっていないが、はんだ材９Ａがビスマスを主成分とすることから、第１のはんだ接合層１１を構成する銀がビスマス中に拡散したことによると考えられる。銀がビスマス中に拡散することは、図４に示したように、第１のはんだ接合層１１及び第２のはんだ接合層１５からそれぞれ拡散した銀が、はんだ材９の内部に銀の拡散フロート９ａを形成することからも、その可能性が高いと考えられる。
次に、図９に示すように、還元雰囲気又は非酸化雰囲気の加熱状態において、はんだ材９Ａの下部がダイパッド３と接合された状態で、押えピン１８によって球状のはんだ材９Ａを押し広げる。
次に、図１０に示すように、還元雰囲気又は非酸化雰囲気の加熱状態において、はんだ材９Ａをなだらかな凸状に溶融させる。
次に、図１１に示すように、還元雰囲気又は非酸化雰囲気の加熱状態において、はんだ材９Ａの上に、半導体素子５を押し付ける。その後、この状態で温度を下げてはんだ材９を固化させ、図４に示した構成の半導体装置を得る。なお、半導体素子５の裏面には、前述した構成を持つ接着層１２、中間接合層１３、バリア層１４及び第２のはんだ接合層１５からなる裏面電極１６があらかじめ形成されている。また、裏面電極１６を構成するバリア層１４にはニッケルを用いているが、裏面電極１６とはんだ材９との間には、銀からなる第２のはんだ接合層１５を介在させているため、図１１に示す工程において、ニッケルイオンがはんだ材９に拡散して、その溶融温度を上昇させてしまうおそれはない。
また、裏面電極１６は、上述した構成に限られず、金（Ａｕ）−ゲルマニウム（Ｇｅ）、金（Ａｕ）−ゲルマニウム（Ｇｅ）−アンチモン（Ｓｂ）、又はチタン（Ｔｉ）−ニッケル（Ｎｉ）−銀（Ａｇ）等の、一般に半導体装置に使用できる裏面電極であれば同様の効果を示す。
以上説明したように、本発明に係る半導体装置は、ダイパッド３の表面上に形成した第１のはんだ接合層１１を、ビスマスを主成分とするはんだ材９よりも軟らかい材料で構成し、該はんだ材９を第１のはんだ接合層１１に押し付けることにより、第１のはんだ接合層１１の一部に、ダイパッド３側へ窪み部１１ａを形成することができる。これにより、窪み部１１ａにはんだ材９を充填することができるため、ダイパッド３上の第１のはんだ接合層１１とはんだ材９の接合面積が増大するので、はんだ材９とダイパッド３との間の接続強度が強化される。その結果、ダイパッド３上への半導体素子５のはんだ付けが安定する。
本発明に係る半導体装置及びその製造方法は、ダイパッドとはんだ材との間の接続強度が強化されるので、ダイパッド上への半導体素子のはんだ付けが安定し、特に動作時に高温となる電子機器に組み込まれる半導体装置及びその製造方法等に有用である。
本発明の一実施形態に係る半導体装置を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置を示す平面図である。 図２のIII−III線における断面図である。 図３の領域IVを示す部分拡大断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。 図６の領域ＶIIを示す部分拡大断面図である。 図７に続く図６の領域ＶIIを示す部分拡大断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
符号の説明
１ 外部リード
２ 内部リード
３ ダイパッド
４ 放熱部
４ａ ねじ止め孔
５ 半導体素子
６ 電極
７ ワイヤ
８ 封止樹脂部
９ はんだ材
９Ａ はんだ材（球状のはんだ材）
９ａ 拡散フロート
１０ 活性層
１１ 第１のはんだ接合層
１１ａ 窪み部
１１ｂ 開口部
１２ 接着層
１３ 中間接合層
１４ バリア層
１５ 第２のはんだ接合層
１６ 裏面電極
１７ ヒートブロック
１８ 押えピン

Claims (12)

  1. 表面に第１のはんだ接合層が形成された金属からなるダイパッドと、
    前記ダイパッドにおける前記第１のはんだ接合層の上に、ビスマスを主成分とするはんだ材により固着された半導体素子とを備え、
    前記第１のはんだ接合層は、前記はんだ材よりも軟らかい材料からなり、
    前記第１のはんだ接合層の一部には、前記はんだ材が押圧されてなる窪み部が形成され、前記はんだ材の一部は、前記窪み部に充填されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記第１のはんだ接合層は、銀又は銀を主成分とする金属からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記はんだ材は、ビスマス、銅及びゲルマニウムを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
  4. 前記ダイパッドは、銅又は銅を主成分とする金属からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
  5. 前記第１のはんだ接合層の前記窪み部には、前記ダイパッドが露出する開口部が形成され、形成された開口部を介して前記はんだ材が前記ダイパッドの表面と接していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
  6. 前記開口部の外周部分における前記ダイパッドと前記第１のはんだ接合層との間には、前記はんだ材が進入していることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
  7. 前記半導体素子における前記はんだ材と対向する面上には、第２のはんだ接合層が形成されており、前記第２のはんだ接合層は銀又は銀を主成分とする金属からなることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置。
  8. 前記半導体素子と前記第２のはんだ接合層との間には、前記半導体素子から前記第２のはんだ接合層に向かって、接着層、中間接合層及びバリア層が順次形成されていることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
  9. 前記接着層はクロムからなり、前記中間接合層はニッケルとクロムとの合金からなり、前記バリア層はニッケルからなることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
  10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記ダイパッドの表面に形成された前記第１のはんだ接合層の上に、球状の前記はんだ材を押し付けることにより、前記第１のはんだ接合層に窪み部を形成する工程（ａ）と、
    前記工程（ａ）よりも後に、前記はんだ材を前記第１のはんだ接合層の上に押し広げる工程（ｂ）と、
    前記工程（ｂ）よりも後に、押し広げられた前記はんだ材の上に前記半導体素子を押し付ける工程（ｃ）とを備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  11. 前記工程（ａ）よりも前に、前記ダイパッドを加熱する工程（ｄ）をさらに備えていることを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置の製造方法。
  12. 前記工程（ａ）において、前記第１のはんだ接合層に形成された窪み部には、前記ダイパッドを露出する開口部が形成され、形成された開口部を介して前記はんだ材が前記ダイパッドの表面と接触することを特徴とする請求項１０又は１１に記載の半導体装置の製造方法。
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