JP5754372B2

JP5754372B2 - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP5754372B2
Application number: JP2011284833A
Authority: JP
Inventors: 善章小南
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2015-07-29
Anticipated expiration: 2031-12-27
Also published as: JP2013135100A

Description

本発明は、例えば乗用車、トラック、バス等の車両や家庭用機器又は産業用機器に適用されて好適な半導体装置を製造する半導体装置の製造方法に関する。

ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＩＰＭ（Intelligent Power Module）等のスイッチング素子を含む半導体素子がリードフレームに実装される半導体装置においては、半導体素子は発熱部品となり、効果的な冷却が要求される。

このような発熱部品から発生する熱を正面側及び背面側においてヒートシンク（ヒートスプレッダー）等の放熱板（リードフレームに属する場合は放熱部）により適宜冷却する両面放熱タイプの半導体装置がある。この半導体装置において、正面側と背面側の一対の放熱板とリードフレーム及び半導体素子は、組み合わされた後、樹脂によりモールドされてモジュールとされる。

この半導体装置においては、放熱板、半導体素子、リードフレームの放熱部との間においては、半田層により相互に接合されるが、例えば特許文献１に記載されるように半田を融点以上に加熱することが行われる。

特開２００９−２７７８４０号公報

ところが、両面放熱タイプの半導体装置では、リードフレームに半田層により素子を組み付けた後のワークを上下方向に反転させて治具上のヒートシンクに載置して、さらに、ヒートシンクを半田付けするためにワークとヒートシンクを再度加熱する必要があるため、再加熱のための時間がかかり、製造に必要な時間が長くなり、半導体装置の効率的な製造が困難となるという問題が生じる。

本発明は、上記問題に鑑み、両面放熱タイプの半導体装置をより効率的に製造することが可能な半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明による半導体装置の製造方法は、
放熱部を含む基板に第一加熱ステップを経て第一半田層により接合された半導体素子に第二半田層を介して放熱板を接合してなる半導体装置の製造方法であって、前記放熱板を前記第一加熱ステップに用いられる第一加熱手段とは異なる第二加熱手段により加熱する第二加熱ステップと、前記第二半田層に前記放熱板を載置する載置ステップを含むことを特徴とする。

ここで、前記第二加熱ステップの後に、前記載置ステップを行うこととし、前記第二加熱手段は、前記第一加熱手段に比べて、急速な加熱が可能であることとし、前記載置ステップで用いられる載置手段は、前記載置ステップの後において前記放熱板を押圧することとしてもよい。

あるいは、前記載置ステップの後に、前記第二加熱ステップを行うこととし、前記第二加熱手段は、前記載置ステップにおいて用いられる載置手段の一部をなすこととしてもよく、前記第二加熱手段は、前記放熱板に対して非接触にて加熱が可能であることとしてもよい。また、前記載置ステップで用いられる載置手段は、前記第二加熱ステップにおいて前記放熱板を押圧することとしてもよい。

本発明によれば、第二加熱ステップにおいては、放熱板のみを加熱するものとし、半導体装置を加熱しないものとすることができるので、温度上昇の対象となる体積を減らすとともに、温度上昇の上限値の制限をなくして急速な加熱を行うことができるので、再加熱のための時間を減らすことができる。

また、第二加熱ステップにおいて、放熱板のみの加熱によって第二半田層を溶融させるので、ワークの反転をなくして、製造時間を短くすることができる。さらに、第一半田層の再溶融に伴うはみ出しをも防止できる。従って、より効率的な製造工程を実現することができる。

本発明に係る実施例１の半導体装置の製造方法に供せられる半導体装置１の概略構造を示す模式図である。本発明に係る実施例１の半導体装置１の製造方法の一実施形態についてステップ毎に示す模式図である。本発明に係る実施例１の半導体装置１の製造方法の前提となる従来技術について示す模式図である。本発明に係る実施例１の半導体装置１の製造方法の第二半田付け（第二加熱ステップ）の具体的態様を示す模式図である。本発明に係る実施例１の半導体装置１の製造方法における載置ステップに用いられるハンドＨＤの変形例を示す模式図である。本発明に係る実施例１の半導体装置１の製造方法における還元方法の変形例を示す模式図である。本発明に係る実施例２の半導体装置１の製造方法の第二加熱ステップの具体的態様を示す模式図である。

以下、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しながら説明する。

本実施例１の半導体装置１の製造方法に供されるリードフレーム２は、銅やアルミニウム等を含む熱伝導性及び電気伝導性の高い平板状の母材を、例えばプレス加工により図１に示す形態に打ち抜いて構成される。リードフレーム２は、図１中手前側に横方向に並列されて縦方向に延在する複数条の外部信号端子と、外部信号端子を横方向に相互に連結するタイバーと、外部信号端子に対応してタイバーから図１中奧側にさらに内側に延在する複数条の内側信号端子とを含む。

また、リードフレーム２は、図１中奧側に横方向に並列されて縦方向に延在する柵状のアウターパワーリードと、アウターパワーリードを横方向に相互に連結するタイバーと、アウターパワーリードに対応してタイバーから図１中手前側に延在する柵状のインナーパワーリードとを含む。

図１中、リードフレーム２の中央よりに位置する平板はヒートシンク（放熱部）を構成しており、ヒートシンクにはＩＧＢＴである半導体素子３がここでは図示しない第一半田層を介して横方向に二列配置され、加熱により電気的熱的に接続される。半導体素子３の奥側にはダイオード４がこれも図示しない半田層を介して横方向に二列配置される。

半導体装置１は、半導体素子３とダイオード４をともに覆う形態の左右一対のヒートシンク５（放熱板）を含む。半導体素子３の信号端子は内部信号端子の内側端にワイヤーボンディング６により電気的に接続され、半導体素子３の電源端子はインナーパワーリードにダイオード４を介して電気的に接続される。

なお、添え字による図示は省略するが、図１中において、リードフレーム２の外枠部は、リードカットされる前の状態において、外部信号端子の手前側端部、タイバーの横方向端部、アウターパワーリードの奧側端部を適宜箇所にて相互に連結している。

ここで図２に示すように、本実施例１の半導体装置１の製造方法は、四つのステップを含む。図２においては、図１中の半導体素子３を含む縦方向に垂直な断面を示している。ステップＳ１では、半田、半導体素子３、銅ブロック７の組付けが行われ、平板状の治具Ａの載置面上に、リードフレーム２、素子下の第一半田層となる半田、半導体素子３、素子上用の半田、銅ブロック７、第二半田層となる半田が、この順番に載置される。図２中において斜線は半田を示している。なお、リードフレーム２が含む上下アーム２ａは、三相交流の中立線の一部を構成する配線をなしており、ここにもヒートシンク５との接続用の半田が載置される。

ステップＳ２では、水素／窒素中の還元雰囲気内において、半田Ｓ表面の酸化を還元して濡れ性を確保しながら、治具Ａの下側に配置されたヒータＨ１により、上述したリードフレーム２、四つの半田Ｓ、半導体素子３、銅ブロック７全体が加熱され、半田Ｓは溶融されて、リードフレーム２、半導体素子３、銅ブロック７が相互に接合され、第一半田付けが行われる。

ステップＳ３においては、図示しないボンダによって、リードフレーム２の内部信号端子と半導体素子３の信号端子を図１に示したワイヤーボンディング６により電気的に接続する。

ステップＳ４においては、ステップＳ２が終了した後のワークＷ全体が、水素／窒素中の還元雰囲気中に置かれた治具Ｂの載置面に、反転されることなく移動されて載置されており、ヒートシンク５は、ヒータＨ１とは別個の高速加熱が可能な高周波加熱器Ｈ２により半導体素子３の加熱の上限値よりも高い温度を目標温度として急速加熱された後、組付けハンドＨＤにより前述したワークＷの第二半田層の上に載置される。

治具Ｂの両端には、一対のスペーサＢＳが設けられており、第二半田層の上に載置された加熱された後のヒートシンク５の両端は、スペーサＢＳにより下方向から支持され、かつ組付けハンドＨＤにより下方に押圧される。

この状態で、還元雰囲気中で酸化を還元して酸化膜を除去し濡れ性を確保しながら、第二半田層はヒートシンク５の蓄積した熱量により加熱されて溶融され、ヒートシンク５は銅ブロック７ひいてはリードフレーム２との適切な間隔を保って、銅ブロック７に対して第二半田層を介して電気的、熱的に接続される。同様に、図２に示すように、ヒートシンク５は、上下アーム２ａの先端とも半田を介して電気的に接続される。

なお、本実施例１の前提となる製造方法においては、図３に示すように、ステップＳ５１、ステップＳ５２は、ステップＳ５３は、図２に示したものと同様である。ステップＳ５２の第一半田付けで一体とされたワークＷをステップＳ５４において図示しないスリットにより挟持して反転させて第二半田層を下方に向けて、治具Ｂの載置面上に載置されたヒートシンク５上に載置し、ワークＷの上に錘を載せる。

ステップＳ５５に示すように、ワークＷのリードフレーム２の端面をスペーサＢＳに当接させながら、錘により押圧して、ステップＳ５５の第二半田付けにおいて治具Ｂの背面から再加熱を行って、リードフレーム２とヒートシンク５との間隔を保ちながら第二半田付けを行う。

ステップＳ４について図４を用いてより詳細に説明する。ステップＳ４１において、ヒートシンク５を高周波加熱器Ｈ２により温度上限なしで急速に加熱し、これと平行してステップＳ４２において、半導体素子３とリードフレーム２からなるワークＷを治具Ｂの載置面に載置しておき、ステップＳ４３において、加熱後のヒートシンク５を組付けハンドＨＤ（載置手段）で搬送して、ワークＷと治具ＢのスペーサＢＳ上に載置し、ステップＳ４４において、組付けハンドＨＤによりヒートシンク５を下方に押圧することを継続する。

本実施例１の製造方法によれば、以下のような作用効果を得ることができる。つまり、ステップＳ４の第二半田付け（第二加熱ステップ）においてヒートシンク５のみを加熱すればよく、半導体素子３を含む第一半田付け終了後のワークＷを加熱しないものとしているので、ステップＳ４の第二半田付けにおいて、高周波加熱器Ｈ２の加熱上昇の対象となる体積を減らすとともに、温度上昇の上限値の制限をなくして高周波加熱器Ｈ２による急速な加熱を行うことができる。

ステップＳ４の再加熱のための時間を減らすことができる。また、ヒートシンク５のみを加熱して、ヒートシンク５から伝達される熱によって第二半田層を溶融させるので、図３に示したようなワークＷの反転をなくして、製造時間を短くすることができる。さらに、ステップＳ４の第二半田付けにおいては、ヒートシンク５側からの片面加熱として、ワークＷすなわちリードフレーム２側からの加熱は行わないため、第一半田付けにて一度溶融された半導体素子３とリードフレーム２との間の第一半田層を再溶融してしまい、半田のはみ出しが発生してしまうことをも防止することができる。これらのことにより、効率的な製造工程を実現することができる。

なお、銅ブロック７とヒートシンク５との間の第二半田層を溶融させるにあたりよりきめの細かい温度調節が必要である場合には、例えば、図４のステップＳ４２とステップＳ４３の間、又は、それ以降において、ステップＳ２で用いたヒータＨ１により、治具Ｂの背面から、ワークＷを適宜加熱するあるいは予熱するものとしてもよい。

また、ステップＳ４１の第二加熱ステップ以降の、ステップＳ４３における組付けハンドＨＤによるヒートシンク５の搬送中以降において、ヒートシンク５の温度低下を防ぐ必要が生じる場合には、例えば、図５に示すように、組付けハンドＨＤにハンドヒータＨ３を内蔵させる構成とし、搬送中及び押圧中にヒートシンク５を適宜加熱するものとしてもよい。さらに、載置手段である組付けハンドＨＤが図３に示した従来技術における錘の役割をも果たすので、錘の載置の工程を省略することができる。

また、それぞれの半田の表面の酸化を還元するにあたっては、上述したように還元雰囲気中にて、ステップＳ４の第二半田付けを行うことに換えて、図６に示すように、組付けハンドＨＤによるヒートシンク５の載置前に、それぞれの半田の表面に還元剤Ｒを塗布するものとしてもよい。

上述した実施例１においては、第二加熱ステップの後に載置ステップを行うこととしているが、載置ステップの後に第二加熱ステップを行うこととしてもよい。以下それについての実施例２について述べる。

本実施例２の半導体装置の製造方法に供せられる半導体装置１については、実施例１に示したものと同様であり、ステップＳ１〜３までは同等であって、ステップＳ４が相違するので、相違点を主に説明する。

図７は、本実施例２におけるステップＳ４の詳細を示す模式図である。ステップＳ４２に示すように、ステップＳ２にて一体とされた半導体素子３及びリードフレーム２を含むワークＷを治具Ｂの載置面に載置する。

つづいてステップＳ４３において、ヒートシンク５を組付けハンドＨＤ（載置手段）によって搬送して、ワークＷの第二半田層及び治具ＢのスペーサＢＳ上に載置する。さらに、ステップＳ４５に示すように、組付けハンドＨＤによりヒートシンク５を下方に押圧しながら、組付けハンドＨＤが有するヒータＨ１よりも急速加熱が可能なハンドヒータＨ３または、別個の図示しない非接触による加熱が可能なレーザ加熱器により温度上限を設けないでヒートシンク５を加熱して、第二半田層を再加熱して溶融して、第二半田付けを行う。

本実施例２の製造方法によっても、以下のような作用効果を得ることができる。つまり、ステップＳ４の第二半田付け（第二加熱ステップ）においてヒートシンク５のみを加熱しており、半導体素子３を含む第一半田付け終了後のワークＷを加熱しないので、ステップＳ４の第二半田付けにおいて、加熱対象となる体積を減らすとともに、温度上昇の上限値の制限をなくしてハンドヒータＨ３又はレーザ加熱器により、急速な加熱を行うことができる。つまり、ステップＳ４の再加熱のための時間を減らすことができる。

また、ヒートシンク５のみを加熱して、ヒートシンク５から伝達される熱によって第二半田層を溶融させるので、従来技術の図３に示したようなワークＷの反転をなくして、製造時間を短くすることができ、組付けハンドＨＤが錘の役目を果たすので錘を載置する工程を省くことができる。これらのことにより、より効率的な製造工程を実現することができる。

本実施例２においても、第二半田層を溶融させるにあたりよりきめの細かい温度調節が必要である場合には、図７のステップＳ４２とステップＳ４３の間、又は、それ以降において、ステップＳ２で用いたヒータＨ１により、治具Ｂの背面から、ワークＷを適宜加熱する又は予熱するものとしてもよい。

以上本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、本発明は上述した実施例に制限されることなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形および置換を加えることができる。

例えば上述した実施例においては、リードフレームが複数の放熱部としてのヒートシンクを一体的に含む形態を示したが、放熱部が半導体素子３に対して個別に存在していてもよい。この場合放熱部は基板そのものとなる。また、第一半田付けにおいて用いられるヒータ１はオーブンや加熱炉であってもよい。

本発明は、半導体装置の製造方法に関するものであり、第二加熱ステップを短縮して製造工程を適切に効率化することができるので、種々の半導体関連の装置に適用して有益なものである。もちろん、乗用車、トラック、バス等の様々な車両のインバータ等に適用される半導体モジュールに適用しても有益なものである。

１半導体装置
２リードフレーム（ヒートシンク：放熱部を含む基板）
３半導体素子
４ダイオード
５ヒートシンク（放熱板）
６ワイヤーボンディング
７銅ブロック
Ｗワーク
Ｓ半田
Ａ治具
Ｂ治具
ＢＳスペーサ
Ｈ１ヒータ
Ｈ２高周波加熱器
Ｈ３ハンドヒータ
ＨＤ組付けハンド
Ｒ還元剤

Claims

放熱部を含む基板に第一加熱ステップを経て第一半田層により接合された半導体素子に第二半田層を介して放熱板を接合してなる半導体装置の製造方法であって、前記放熱板を前記第一加熱ステップに用いられる第一加熱手段とは異なる第二加熱手段により加熱する第二加熱ステップと、前記第二半田層に前記放熱板を載置する載置ステップを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記第二加熱ステップの後に、前記載置ステップを行うことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記第二加熱手段は、前記第一加熱手段に比べて、急速な加熱が可能であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
前記載置ステップで用いられる載置手段は、前記載置ステップの後において前記放熱板を押圧することを特徴とする請求項２又は３に記載の半導体装置の製造方法。
前記載置ステップの後に、前記第二加熱ステップを行うことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記第二加熱手段は、前記載置ステップにおいて用いられる載置手段の一部をなすことを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
前記第二加熱手段は、前記放熱板に対して非接触にて加熱が可能であることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
前記載置ステップで用いられる載置手段は、前記第二加熱ステップにおいて前記放熱板を押圧することを特徴とする請求項６又は７に記載の半導体装置の製造方法。