JP2014072314A - 半導体装置、及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半田付け困難な金属からなる配線板と半導体素子との間の接合強度を高めて装置の信頼性を向上させる。
【解決手段】ヒートシンク１１に接合された絶縁基板１３に対して、半田付け困難な金属からなる配線板１４を介して半導体素子１７を実装した半導体装置１０は、配線板１４と半導体素子１７との間に、半田付け容易な金属からなる金属板１５を介在させている。そして、配線板１４と金属板１５とをロウ付けにより接合するとともに、金属板１５と半導体素子１７とを半田付けにより接合している。
【選択図】図１

Description

本発明は、絶縁基板に対して、半田付け困難な金属からなる配線板を介して半導体素子を実装した半導体装置、及び半導体装置の製造方法に関する。

窒化アルミニウム等の絶縁基板の実装面に対して、アルミニウムからなる配線板を介して半導体素子を実装した半導体装置が知られている。上記半導体装置は、半田付け性（半田濡れ性）の悪い金属であるアルミニウムから配線板が構成されているため、配線板と半導体素子とを半田付けにより接合することが困難である。そこで、従来においては、アルミニウムからなる配線板の表面にＮｉからなるメッキ層を形成し、そのメッキ層に対して半導体素子を半田付けにより接合した構成が採用されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−２３８９３２号公報

ところで、配線板と半導体素子との間にメッキ層が介在される特許文献１の半導体装置の場合、配線板と半導体素子との間の接合強度を高めるためには、配線板に対するメッキ層の密着強度を高める必要がある。しかしながら、メッキの種類等を様々に変更したとしても、メッキ層の密着強度には限界がある。そのため、特許文献１の半導体装置は、配線板と半導体素子との間の接合強度を高めて、装置の信頼性の更なる向上を図ることが困難な構成であった。

本発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものであり、その目的は、半田付け困難な金属からなる配線板と半導体素子との間の接合強度を高めて信頼性の向上を図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にある。

上記の目的を達成するために請求項１に記載の半導体装置は、ベース部材に接合された絶縁基板に対して、半田付け困難な金属からなる配線板を介して半導体素子を実装した半導体装置であって、前記配線板と前記半導体素子との間に、半田付け容易な金属からなる金属板を介在し、前記ベース部材、前記絶縁基板、前記配線板、及び前記金属板をロウ付けにより一体に接合するとともに、前記金属板に対して前記半導体素子を半田付けにより接合したことを要旨とする。

上記構成では、半田付け困難な金属からなる配線板と半導体素子との間に介在される金属板を、配線板に対してロウ付けにより接合するとともに、半導体素子に対して半田付けにより接合している。これにより、半導体装置の機械的強度が高められて、装置の信頼性の向上を図ることができる。つまり、配線板と金属板とのロウ付けにより得られる接合強度は、配線板の表面にメッキ層を形成し、そのメッキ層に対して半導体素子を半田付けにより接合した従来構成におけるメッキ層の密着強度と比較して非常に高い。そのため、配線板と半導体素子との間の接合強度も同様に従来構成よりも高いものとなり、半導体装置の機械的強度が高められる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記金属板の前記半導体素子側の接合面には半田溜まり部が設けられ、前記半田溜まり部に対して前記半導体素子が接合されていることを要旨とする。上記構成によれば、半田溜まり部を越えて金属板上に半田が不必要に広がることが抑制される。その結果、半導体素子と金属板との間に半田が保持されやすくなって、半田付けによる半導体素子と金属板との接合強度が高められる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記半田溜まり部は、前記接合面の表面の酸化膜を除去することにより凹設されていることを要旨とする。
上記構成によれば、半田溜まり部は表面酸化により生じる酸化膜が除去されて、金属板上面における他の部位と比較して、金属酸化物の含有比率が低減されている。そのため、表面の半田濡れ性が高められて、金属板と半導体素子とを好適に接合させることができる。その結果、金属板と半導体素子との間の接合強度が高められる。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記金属板は、前記配線板上における前記半導体素子の搭載領域のみに設けられていることを要旨とする。
上記構成によれば、金属板の使用量が低減されるとともに、金属板を他の部材に接合するために必要となる接合材（半田材、ロウ材）の使用量も低減させることができる。そのため、半導体装置の製造コストを抑制することができる。更に、金属板が小さく形成されることにより、配線板上に金属板の非形成領域が設けられて金属板と配線板との線膨張係数の相違に起因して発生する熱応力が低減される。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の発明において、前記ベース部材と前記絶縁基板との間には、応力緩和空間を有する応力緩和部材が配置されていることを要旨とする。上記構成によれば、金属板と配線板との線膨張係数の相違に起因して発生する熱応力を応力緩和部材によって緩和させることができる。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の発明において、前記ベース部材はヒートシンクであることを要旨とする。上記構成によれば、半導体素子において発生した熱がヒートシンクから放熱されて、半導体素子を冷却することができる。

請求項７に記載の半導体装置の製造方法は、請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法であって、前記ベース部材、前記絶縁基板、前記配線板、及び前記金属板をロウ付けにより一体に接合するロウ付け工程と、前記金属板に対して前記半導体素子を半田付けにより接合する半田付け工程とを有することを要旨とする。

上記構成によれば、配線板と半導体素子との間の接合強度が高い半導体装置を得ることができる。また、配線板の表面にメッキ層を形成するためのメッキ処理が不要であるため、従来構成と比較して製造コストを抑制することができる。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の発明において、前記ロウ付け工程において、各部材間のロウ付けによる接合を一括で行うことを要旨とする。上記構成によれば、ロウ付け工程の工程数が削減されて製造コストを更に抑制することができる。

請求項９に記載の発明は、請求項７又は請求項８に記載の発明において、前記ロウ付け工程後、前記金属板における前記半導体素子側の接合面の酸化膜を除去する酸化膜除去工程を更に有し、前記半田付け工程において、前記金属板における前記酸化膜を除去した部分に対して、前記半導体素子を半田付けにより接合することを要旨とする。

上記構成によれば、金属板表面の酸化膜が除去されることにより、金属板表面の半田濡れ性が向上する。そのため、後の半田付け工程において、金属板と半導体素子とを好適に接合させることができる。その結果、金属板と半導体素子との間の接合強度が高い半導体装置を得ることができる。

本発明によれば、半田付け困難な金属からなる配線板と半導体素子との間の接合強度を高めて装置の信頼性の向上を図ることができる。

（ａ）は半導体装置の断面図、（ｂ）は半導体装置の上面図。 半導体装置の製造方法の説明図。 別例の半導体装置の断面図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面にしたがって説明する。
図１に示すように、半導体装置１０は、ベース部材としてのヒートシンク１１を備えている。ヒートシンク１１の上面（冷却面）には、応力緩和部材１２がロウ付けにより接合されている。そして、応力緩和部材１２の上面には、絶縁基板１３がロウ付けにより接合されている。

応力緩和部材１２は平板状をなし、その内部には上下面に貫通する貫通孔として形成される複数の応力緩和空間１２ａが設けられている。絶縁基板１３としては、例えば、酸化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、窒化アルミニウム、アルミナ・ジルコニウム等のセラミック材料からなるセラミック基板を用いることができる。

絶縁基板１３の上面（実装面）には、半田付け困難な金属からなる配線板１４がロウ付けにより接合されている。そして、配線板１４の上面には、半田付け容易な金属からなる金属板１５がロウ付けにより接合されている。金属板１５は、上面視において外形形状が配線板１４と同形状に形成され、配線板１４の上面全体を覆うように重ねられている。

配線板１４を構成する半田付け困難な金属の具体例としては、アルミニウム、アルミニウム合金が挙げられる。金属板１５を構成する半田付け容易な金属の具体例としては、ニッケル、ニッケル合金、銅、銅合金が挙げられる。

図１（ａ）に示すように、金属板１５の上面１５ａには、表面酸化によって生じる金属酸化物により形成される酸化膜１５ｂが存在する。金属板１５の上面１５ａには、この酸化膜１５ｂの一部を機械的に除去して形成されるくぼみ状の除去部１６が凹設されている。この除去部１６は、酸化膜１５ｂが除去されることによって、金属板１５の上面１５ａにおける他の部位よりも表面の金属酸化物比率が小さくなっている。また、図１（ｂ）に示すように、除去部１６の外形形状は、半導体素子１７の外形形状よりも僅かに大きい外形形状に形成されている。なお、本実施形態においては、金属板１５の上面１５ａが半導体素子１７側の接合面となる。

また、半導体素子１７に設けられる各種端子は、ワイヤ等の配線材を介して図示しない外部接続端子等に電気的に接続されている。そして、本実施形態の半導体装置１０は、外部接続端子等の外部に接続される部材の一部を除いて、装置全体が封止樹脂１８によりモールドされてモジュール化されている。

次に、本実施形態の半導体装置１０の製造方法を図２に従って説明する。
本実施形態の半導体装置１０は、主にロウ付け工程、酸化膜除去工程、及び半田付け工程を順に経ることによって製造される。

ロウ付け工程は、ヒートシンク１１、応力緩和部材１２、絶縁基板１３、配線板１４、金属板１５をロウ付けにより接合する工程である。具体的には、各部材間にシート状のロウ材（図示略）を介在させつつ、ヒートシンク１１、応力緩和部材１２、絶縁基板１３、配線板１４、金属板１５を積層する。そして、この積層体を加熱して各部材間に介在されるロウ材を溶融させた後、冷却してロウ材を固化させる。これにより、ヒートシンク１１、応力緩和部材１２、絶縁基板１３、配線板１４、金属板１５がロウ付け（一括ロウ付け）により一体に接合される。

上記ロウ付け工程におけるロウ材の溶融時に、金属板１５は高温環境下に曝される。そのため、金属板１５の上面１５ａには表面酸化によって生じる酸化膜１５ｂが形成される。酸化膜除去工程では、酸化膜１５ｂを除去して、金属板１５の上面１５ａに除去部１６を形成する。具体的には、金属板１５の上面１５ａにおける半導体素子１７の接合予定位置に存在する酸化膜１５ｂを機械的に除去することによって、金属板１５の上面１５ａにくぼみ状の除去部１６を凹設する。

半田付け工程は、上記積層体の金属板１５に対して半導体素子１７を半田付けにより接合する工程である。具体的には、金属板１５の上面１５ａの除去部１６上に、シート状の半田材（図示略）、及び半導体素子１７を積層する。そして、この積層体を加熱して半田材を溶融させた後、冷却して半田材を固化させる。これにより、金属板１５に対して半導体素子１７が接合される。このとき、金属板１５の除去部１６は、酸化膜１５ｂが除去されているため、金属酸化物比率が低減されて半田濡れ性が高い状態となっている。そのため、半田付けによる金属板１５と半導体素子１７との接合を良好に行うことができる。

半田付け工程後は、半導体素子１７に設けられる各種端子と、外部接続端子等とをワイヤ等の配線材を介して電気的に接続する。そして、全体を封止樹脂１８によりモールドすることによって、モジュール化された本実施形態の半導体装置１０（パワーモジュール）が得られる。

次に、本実施形態の半導体装置１０の作用を説明する。
半導体装置１０は、半田付け困難な金属からなる配線板１４と半導体素子１７との間に、半田付け容易な金属からなる金属板１５が介在されている。そして、配線板１４と金属板１５とをロウ付けにより接合するとともに、金属板１５と半導体素子１７とを半田付けにより接合することによって、配線板１４と半導体素子１７との間の接合部分が形成されている。

配線板１４と金属板１５とのロウ付けにより得られる接合強度は、配線板の表面にメッキ層を形成し、そのメッキ層に対して半導体素子を半田付けにより接合した従来構成におけるメッキ層の密着強度と比較して非常に高い。そのため、配線板１４と半導体素子１７との間の接合強度も同様に従来構成よりも高いものとなる。これにより、半導体装置の機械的強度が高められて、装置の信頼性の向上を図ることができる。

本実施形態によれば、以下に記載する効果を得ることができる。
（１）半導体装置１０は、半田付け困難な金属からなる配線板１４と半導体素子１７との間に、半田付け容易な金属からなる金属板１５を介在させている。そして、配線板１４と金属板１５とがロウ付けにより接合されるとともに、金属板１５と半導体素子１７とが半田付けにより接合されている。上記構成によれば、半導体装置１０の機械的強度が高められて装置の信頼性の向上を図ることができる。

（２）金属板１５の上面１５ａには、表面の酸化膜１５ｂの一部を機械的に除去して形成される除去部１６が設けられている。そして、金属板１５の除去部１６に対して半導体素子１７が半田付けにより接合されている。除去部１６は、金属板１５の上面１５ａにおける他の部位と比較して金属酸化物の含有比率が低減されて半田濡れ性が高められている。そのため、金属板１５の除去部１６に対して、半導体素子１７を半田付けにより良好に接合させることができる。その結果、金属板１５と半導体素子１７との間の接合強度が高められる。

（３）除去部１６は、金属板１５の上面１５ａの酸化膜１５ｂの一部を機械的に除去したくぼみ状に形成されている。上記構成によれば、除去部１６を半田溜まり部として機能させることができる。つまり、半田付け工程において、除去部１６を越えて金属板１５上に半田が不必要に広がることが抑制される。その結果、半導体素子１７と金属板１５との間に半田が保持されやすくなって、半田付けによる半導体素子１７と金属板１５との接合強度が高められる。

（４）ベース部材としてのヒートシンク１１と絶縁基板１３との間に、応力緩和空間１２ａを有する応力緩和部材１２を配置している。上記構成によれば、金属板１５と配線板１４との間の線膨張係数の相違に起因して発生する熱応力を応力緩和部材１２によって緩和させることができる。

（５）ベース部材としてヒートシンク１１を備えている。上記構成によれば、半導体素子１７において発生した熱をヒートシンク１１から放熱させることにより、半導体素子１７を冷却することができる。

（６）半導体装置１０の製造方法は、ヒートシンク１１、応力緩和部材１２、絶縁基板１３、配線板１４、及び金属板１５をロウ付けにより一体に接合するロウ付け工程と、金属板１５に対して半導体素子１７を半田付けにより接合する半田付け工程とを有する。上記構成によれば、配線板１４と半導体素子１７との間の接合強度が高い半導体装置を得ることができる。また、配線板１４の表面にメッキ層を形成するためのメッキ処理が不要であるため、従来構成と比較して製造コストを抑制することができる。具体的には、メッキ処理に用いる装置の省略によるコスト削減を図ることができる。

（７）ロウ付け工程において、ヒートシンク１１、応力緩和部材１２、絶縁基板１３、配線板１４、及び金属板１５の各部材間のロウ付けによる接合を一括で行っている。上記構成によれば、ロウ付け工程における工程数が削減されて、製造コストを更に抑制することができる。

（８）ロウ付け工程後、金属板１５の上面１５ａの酸化膜１５ｂを除去する酸化膜除去工程を更に有している。上記構成によれば、酸化膜１５ｂが除去されることにより、金属板１５の上面１５ａの半田濡れ性が高められる。そのため、後の半田付け工程において、金属板１５と半導体素子１７とをより好適に接合させることができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 除去部１６は、酸化膜１５ｂが完全に除去された構成であることが好ましいが、除去部１６の表面に多少の金属酸化物が残存している構成も許容し得る。

○ 除去部１６の形成位置は特に限定されるものではない。例えば、除去部１６は、金属板１５の上面１５ａにおける半導体素子１７を接合する接合部分にのみ局所的に形成されていてもよいし、金属板１５の上面１５ａ全体に形成されていてもよい。

また、除去部１６の外形形状は特に限定されるものではない。例えば、金属板１５に複数個の半導体素子１７が接合される場合には、各半導体素子１７のそれぞれに対応する外形形状の除去部１６を同数設けてもよいし、複数個の半導体素子１７を接合可能な外形形状の除去部１６を一つ設けてもよい。なお、除去部１６を半田溜まり部として機能させる場合には、除去部１６を局所的に形成するとともに、除去部１６の外形形状を半導体素子１７と同じ又はそれよりも大きく形成することが好ましい。

○ 除去部１６は、金属板１５の上面１５ａの酸化膜１５ｂを機械的に除去して形成される構成に限定されるものではない。例えば、酸化膜１５ｂを化学薬品等により化学的に還元することによって除去した除去部１６であってもよい。また、半導体装置１０の製造方法における酸化膜除去工程は、酸化膜１５ｂを機械的に除去する工程に限定されるものではなく、例えば、酸化膜１５ｂを化学的に還元することによって除去する工程であってもよい。

○ 配線板１４上の全面に金属板１５を設けた構成に代えて、配線板１４上における半導体素子１７を搭載する搭載領域のみに金属板１５を設けた構成としてもよい。例えば、図３に示すように、配線板１４、金属板１５、及び半導体素子１７の積層方向において、配線板１４上における半導体素子１７と重なる領域のみに金属板１５を配置してもよい。

この場合には、金属板１５の使用量が低減されるとともに、金属板１５を他の部材に接合するために必要となる接合材（半田材、ロウ材）の使用量も低減させることができる。そのため、半導体装置１０の製造コストを抑制することができる。更に、金属板１５が小さく形成されることにより、配線板１４上に金属板１５の非形成領域が設けられて金属板１５と配線板１４との線膨張係数の相違に起因して発生する熱応力が低減される。なお、図３のように構成した場合には、金属板１５の上面全面の酸化膜１５ｂを除去して、金属板１５の上面全面を除去部１６とすることが好ましい。

○ ヒートシンク１１、応力緩和部材１２、絶縁基板１３、及び配線板１４の各部材間に第２の金属板等の他の部材を介在させてもよい。また、応力緩和部材１２を省略してもよい。また、ヒートシンク１１を冷却機能のないベース部材に変更してもよい。

○ 封止樹脂１８によりモールドする領域を変更してもよい。例えば、ヒートシンク１１全体を封止樹脂１８にて覆う構成に代えて、モールドする領域をヒートシンク１１の上面（冷却面）までにとどめてもよいし、絶縁基板１３までにとどめてもよい。

○ 半導体装置１０の製造方法におけるロウ付け工程において、各部材を一括ロウ付けすることなく、各部材を順にロウ付けしてもよい。
○ 半導体装置１０の製造方法において、酸化膜除去工程を省略してもよい。

○ ロウ付け工程及び半田付け工程における具体的なロウ付け方法及び半田付け方法は特に限定されるものではなく、半導体装置の各部材間の接合に用いられる公知の方法を適用することができる。また、ロウ材及び半田材としては、半導体装置の各部材間の接合に用いられる公知のロウ材及び半田材を用いることができる。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想を以下に記載する。
（イ）ベース部材に接合された絶縁基板に対して、半田付け困難な金属からなる配線板を介して半導体素子を実装した半導体装置の製造方法であって、前記ベース部材、前記絶縁基板、前記配線板、及び半田付け容易な金属からなる金属板を積層するとともにロウ付けにより一体に接合するロウ付け工程と、前記金属板に対して前記半導体素子を半田付けにより接合する半田付け工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。

（ロ）前記金属板の前記半導体素子側の接合面には、表面の酸化膜を除去してなる除去部が設けられ、前記半導体素子は前記除去部に対して接合されている前記半導体装置。

１０…半導体装置、１１…ベース部材としてのヒートシンク、１２…応力緩和部材、１２ａ…応力緩和空間、１３…絶縁基板、１４…半田付け困難な金属からなる配線板、１５…半田付け容易な金属からなる金属板、１５ａ…半導体素子側の接合面としての上面、１５ｂ…酸化膜、１６…除去部、１７…半導体素子。

Claims (9)

1. ベース部材に接合された絶縁基板に対して、半田付け困難な金属からなる配線板を介して半導体素子を実装した半導体装置であって、
   前記配線板と前記半導体素子との間に、半田付け容易な金属からなる金属板を介在し、
   前記ベース部材、前記絶縁基板、前記配線板、及び前記金属板をロウ付けにより一体に接合するとともに、前記金属板に対して前記半導体素子を半田付けにより接合したことを特徴とする半導体装置。
2. 前記金属板の前記半導体素子側の接合面には半田溜まり部が設けられ、
   前記半田溜まり部に対して前記半導体素子が接合されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記半田溜まり部は、前記接合面の表面の酸化膜を除去することにより凹設されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記金属板は、前記配線板上における前記半導体素子の搭載領域のみに設けられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
5. 前記ベース部材と前記絶縁基板との間には、応力緩和空間を有する応力緩和部材が配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体装置。
6. 前記ベース部材はヒートシンクであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法であって、
   前記ベース部材、前記絶縁基板、前記配線板、及び前記金属板をロウ付けにより一体に接合するロウ付け工程と、
   前記金属板に対して前記半導体素子を半田付けにより接合する半田付け工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
8. 前記ロウ付け工程において、各部材間のロウ付けによる接合を一括で行うことを特徴とする請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
9. 前記ロウ付け工程後、前記金属板における前記半導体素子側の接合面の酸化膜を除去する酸化膜除去工程を更に有し、
   前記半田付け工程において、前記金属板における前記酸化膜を除去した部分に対して、前記半導体素子を半田付けにより接合することを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の半導体装置の製造方法。