JP6000227B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子などの電子部品の電極と配線材の外部電極とを接合して構成される半導体装置の製造方法に関する。

近年、高い出力電力を得る電力用の半導体装置の需要が高まってきている。電力用の半導体装置では、大電流をスイッチング制御することが必要なため、電気抵抗の小さい銅を導体に用いた配線が結線に用いられ、半導体素子の電極と外部電極（銅板）とは、はんだで接合する構成が採られる。

半導体素子の電極と外部電極とをはんだにて接合する方法として、以下の幾つかの方法がある。
第１の方法は、特許文献１の図４に示される方法である。即ち、半導体素子の裏面を放熱板電極にはんだ箔を用いてはんだ接合する。接合後、外部電極と半導体素子の電極との隙間を平行に保持し、外部電極の中央部に設けた穴からはんだを供給し、加熱装置にて加熱する。外部電極の穴から供給されたはんだは、毛細管現象により、半導体素子と外部電極との間の隙間に広がり、外部電極と半導体素子の電極とを接合する。

第２の方法として、特許文献２の図４に示される方法がある。即ち、基部上にはんだ箔を介して半導体素子を載せ、加熱装置にて所定の温度にてはんだ箔を溶融して、半導体素子と基部とのはんだ接合を行う。次に、外部電極を治具にて半導体素子の電極上に、ある距離を介して平行に保持した状態で、これらを加熱装置に投入する。次に、はんだ供給装置から溶融したはんだを外部電極（上部電極）上に供給する。供給されたはんだは、外部電極上を濡れ広がり、外部電極の端面を経由して、外部電極と半導体素子の電極との隙間を充填し、外部電極と半導体素子の電極とを接合する。
または、特許文献２の図８に示される方法もある。即ち、外部電極と半導体素子の電極とを、隙間を保った状態で対向させた後、溶融したはんだを半導体素子の電極上に直接滴下する。外部電極と半導体素子の電極との間に、滴下したはんだを浸透させて、半導体素子の電極と上部電極とをはんだで接合する。

第３の方法として、特許文献３の図３に示される方法がある。即ち、予め半導体素子の裏面がはんだで接合された金属板を加熱プレートなどの上に配置し、はんだの融点以上に加熱しておく。次に、アクチュエータを備えたシリンジで、はんだ槽から溶融はんだを吸い上げ、シリンダ内に貯える。次に、半導体素子の電極に対して隙間を介して配置した外部電極の貫通孔上にシリンジを移動し、シリンジ内のはんだを貫通孔上で吐出する。吐出されたはんだは、貫通孔を通じて半導体素子の電極に滴下され、貫通孔を充填するまで供給されて半導体素子の電極上を濡れ広がりフィレットを形成する。その後、はんだ、外部電極、及び金属板が冷却され、はんだが凝固し作業を完了する。またこの接合作業は、はんだの酸化を抑制するために、窒素などの不活性ガス、又は水素などの還元ガスで満たされた低酸素濃度の雰囲気内で実施される。

特開２００４−３０３８６９号公報 特開２０１２−８１４８１号公報 特開２００８−１８２０７４号公報

しかしながら上述した従来技術では以下のような問題がある。
即ち、特許文献１の技術では、外部電極と半導体素子の電極とを、毛細管現象が生じる隙間に均一に保持する必要があり、また、毛細管現象によってはんだで電極間を埋めることから処理に時間を要し、生産性が悪いという問題がある。

また、特許文献２の技術では、外部電極の上部から滴下した溶融はんだが、外部電極の端面を回り込み半導体素子の電極へ供給される方法であることから、外部電極が傾斜していると溶融はんだが流れ出してしまう。その結果、所望位置からのはんだの回り込みが行えず、半導体素子の電極へのはんだ供給ができないという問題がある。また、溶融はんだを半導体素子の電極上に直接滴下して、外部電極と半導体素子の電極との間に浸透させる方法にあっては、溶融はんだを滴下するために、予め、半導体素子の電極を外部電極よりも大きくする必要がある。そのため、半導体素子のサイズが大きくなり、コストアップの要因となる。また、導体（外部電極）の面積が小さくなることで、接合抵抗が大きくなり、特性が劣化するという問題もある。

また、特許文献３の技術では、溶融はんだを貫通穴を通して供給する方法であることから、貫通穴径は半導体素子の電極サイズよりも小さくする必要がある。よって半導体素子のサイズの縮小化に伴いその電極サイズ、さらに貫通穴も小さくなることから、溶融はんだの滴下が困難になるおそれがある。例えば、高耐圧化のために、半導体素子の材料として、Ｓｉの代わりにＳｉＣが用いられつつあるが、ＳｉＣは高価であるため、チップサイズが小さくなり、電極サイズはＳｉの場合に比べて約３０％になる。このような半導体素子のサイズ縮小に合うように、外部電極の貫通穴径を小さくすると、穴径が１ｍｍとなり、溶融はんだの供給が困難になる場合もある。また、導体の電極に溶融はんだ滴下用の穴を開けた場合には、銅導体の面積が小さくなり電気特性の低下を考慮する必要も懸念される。

また、上述の各特許文献では、いずれも溶融はんだを半導体素子の電極と外部電極との間の隙間に供給することから、装置全体をはんだの溶融温度以上の加熱状態に維持する必要がある。したがって、接合装置が複雑になるとともに、複数の接合箇所へ同時に溶融はんだを供給できないことから、生産性が悪いという問題もある。

さらにまた、導体と半導体素子の電極との間への毛細管現象によるはんだ供給は長時間を要することから、はんだと半導体素子の電極との間に金属間化合物層が形成されてしまう。また、電極の表面層に設けたバリア作用の金属層、例えばＮｉがはんだ中へ拡散することから、この拡散量を見込んでＮｉ層を厚く形成しておく必要がある。その結果、コストアップにつながるという問題もある。

本発明は、上述したような問題点を解決するためになされたものであり、従来に比べて良好な生産性で、かつ低コストにて半導体装置を製造可能な、半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の一態様における半導体装置の製造方法は、半導体素子における電極と外部電極とをはんだ材を利用して接合し形成される半導体装置の製造方法であって、上記はんだ材の平面形状よりも小さい形状のヘッドにて、上記はんだ材を上記半導体素子の電極に押圧して、上記はんだ材に超音波を印加することで、上記半導体素子の電極に上記はんだ材が接合した接合部と、接合せずに上記半導体素子の電極から浮き上がった非接合部とを形成する工程と、上記半導体素子の電極の上方に上記はんだ材を介して上記外部電極を配置する工程と、上記半導体素子を上記はんだ材の融点以上に加熱して上記半導体素子の電極と上記外部電極とを接合する工程とを備えたことを特徴とする。

本発明の一態様における半導体装置の製造方法によれば、はんだ材を用いて、このはんだ材の平面形状よりも小さい形状のヘッドにて、半導体素子の電極にはんだ材を押圧して超音波を印加する。これにより、半導体素子の電極にはんだ材が接合した接合部と、接合していない非接合部とを形成する。このように当該製造方法によれば、一定量のはんだ供給が可能であり、品質の安定したはんだ接合が可能となる。また、はんだ供給に要する時間も従来よりも短時間で済む。よって、上述したように電極表面に厚いＮｉ層を設ける必要も無いことから、コストアップの問題も無くなる。また、はんだ材における非接合部は、半導体素子の電極から浮き上がって形成されている。よって、このようなはんだ材を介して外部電極を配置することで、外部電極と半導体素子の電極との間を所望の隙間に設定する必要は無くなる。以上のことから、本態様における半導体装置の製造方法によれば、従来に比べて生産性が良好で、かつ低コストによるはんだ接合が可能になる。

また上述のように、はんだ材における非接合部は、半導体素子の電極から浮き上がって形成されることから、はんだ材を還元ガス雰囲気中で溶融した場合には、はんだ材表面の酸化膜の還元を効率良く行うことができ、接合部を中心にはんだ接合が広がる。よって、ボイドの発生がなく、上述のように良好な品質のはんだ接合を実現することができる。

本発明の実施の形態に関する半導体装置製造方法によって製造された半導体装置における、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は平面図である。 （ａ）から（ｅ）は、本発明に係る実施の形態１における半導体装置製造方法を説明する図である。 図２に示す半導体装置製造方法において、（ａ）は表面電極にはんだ材を接合した状態を示す斜視図であり、（ｂ）は接合状態のはんだ材へ外部電極を配置した状態を示す斜視図である。 （ａ）から（ｃ）は、本発明に係る実施の形態２の半導体装置製造方法を説明する図である。 （ａ）から（ｄ）は、本発明に係る実施の形態３の半導体装置製造方法を説明する図である。 図５に示す半導体装置製造方法において、（ａ）は外部電極にはんだ材を接合した状態を示す斜視図であり、（ｂ）は接合状態のはんだ材を表面電極を配置した状態を示す斜視図である。 （ａ）から（ｄ）は、本発明に係る実施の形態４の半導体装置製造方法を説明する図である。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明に係る実施の形態５の半導体装置製造方法を説明する図である。 本発明に係る実施の形態６の半導体装置製造方法を説明する図である。 本発明の実施の形態に関する半導体装置製造方法における一つの特徴的構成部分の動作を説明するフローチャートである。

本発明の実施形態である半導体装置の製造方法、及びこの製造方法で製造される半導体装置について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。また、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け当業者の理解を容易にするため、既によく知られた事項の詳細説明及び実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。また、以下の説明及び添付図面の内容は、特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。

実施の形態１．
図１には、本発明の実施の形態による半導体装置製造方法で製造される半導体装置１０１の断面図（図１の（ａ））、及び平面図（図１の（ｂ））を示す。この図１では、主な構成部分として、２種類の半導体素子１０Ａ，半導体素子１０Ｂと、基板２０と、外部電極３０とを有し、基板２０の主面２０ａ及び外部電極３０の一部（端部）を露出させてその他の構成部分を樹脂材４０で封止して製造された半導体装置１０１を示している。このような半導体装置１０１の構成について、以下に説明する。

本実施の形態では、第１の半導体素子１０Ａは、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であり、第２の半導体素子１０Ｂは、例えばダイオードである。尚、第１の半導体素子１０Ａ及び第２の半導体素子１０Ｂを合わせて「半導体素子１０」と記す。
第１の半導体素子１０Ａにおいて対向する２つの表、裏面には、裏面側にてコレクタ電極に相当する裏面電極１１ａが、また、表面側にてエミッタ電極に相当する表面電極１２ａ及びゲート電極に相当する第２表面電極１２ｃが、それぞれ形成されている。また、第２の半導体素子１０Ｂにおいて対向する２つの表、裏面には、裏面側にてカソード電極に相当する裏面電極１１ｂが、また、表面側にてアノード電極に相当する表面電極１２ｂが、それぞれ形成されている。

これらの第１の半導体素子１０Ａ及び第２の半導体素子１０Ｂは、それぞれの裏面電極１１ａ、１１ｂを基板２０の裏面２０ｂに対向させて、基板２０の上方に同一又は略同一の高さで互いに隣接して配列される。そして裏面電極１１ａ及び裏面電極１１ｂは、それぞれ、はんだ又はＡｇ焼結材などのダイボンド材５０によって基板２０の裏面２０ｂに接合される。ここで、ダイボンド材５０は、はんだとしてＰｂフリーはんだであり、例えばＳｎ系のＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ、Ｓｎ−３．５Ａｇ、Ｓｎ−０．７Ｃｕなどのはんだを用いる。焼結金属として例えばＡｇ粒子を用いる。

また、第１の半導体素子１０Ａの表面電極１２ａ及び第２の半導体素子１０Ｂの表面電極１２ｂの上方には、帯状の外部電極３０が、半導体素子１０Ａ、１０Ｂの配列方向に沿って、かつ表面電極１２ａ、１２ｂに略平行に延在する。表面電極１２ａ、１２ｂのそれぞれと、外部電極３０とは、はんだ材６０によって接合される。尚、このはんだ材６０による接合方法については、後述の製造方法説明にて詳しく説明する。

また、第１の半導体素子１０Ａの第２表面電極１２ｃは、ＡｕまたはＡｌなどの金属ワイヤ３２によって第２外部電極３１と接続されている。この第２外部電極３１も、その一部（端部）を樹脂材４０の外側へ露出させる。

また基板２０は、放熱の必要から熱伝導が良く電気伝導の良い銅を用いたが、銅に限定されず、熱伝導のよいＡｌＮ、ＳｉＮなどのセラミック材の表面に銅などの導体層を設けた配線板を用いてもよい。
また外部電極３０は、電気抵抗が小さいことが要求されることから銅を用いている。このような外部電極３０のサイズは、一例として、幅７０ｍｍ、長さ２００ｍｍ、厚さ０．６ｍｍである。

以上のように構成される半導体装置１０１の製造方法について、特に、第１の半導体素子１０Ａ及び第２の半導体素子１０Ｂの表面電極１２ａ、１２ｂと外部電極３０との、はんだ材６０による接合方法について、図２を参照して以下に説明する。また、以下に説明する各実施の形態では、上述したように基板２０にダイボンド材５０にて各裏面電極１１ａ、１１ｂを既に接合した第１の半導体素子１０Ａ及び第２の半導体素子１０Ｂが供給されるものとする。また、図２は、第１の半導体素子１０Ａ及び第２の半導体素子１０Ｂの表面電極１２ａ、１２ｂと外部電極３０とのはんだ材６０による接合方法を一般化して図示したものであり、第１の半導体素子１０Ａ及び第２の半導体素子１０Ｂを半導体素子１０とし、表面電極１２ａ、１２ｂを総称して表面電極１２とし、裏面電極１１ａ、１１ｂを総称して裏面電極１１として表記している。

また、各実施形態での、半導体装置１０１の製造方法における一つの特徴的動作部分を図１０に示す。

図２の（ａ）は、半導体素子１０の表面電極１２の上方に、超音波ヘッド２０１にて吸引保持されたはんだ材６０が配置された状態を示す。超音波ヘッド２０１は、吸引押圧振動装置２０２に接続されている。
ここで、はんだ材６０は、固体の、つまり溶融状態ではない、はんだであり、本実施形態では、Ｓｎ系のＰｂフリーはんだで、その融点が約２２０℃であり、そのサイズが供給時において縦５ｍｍ、横５ｍｍ、厚さ０．３ｍｍの板状形状である。勿論、はんだ材６０は、これらの物性及びサイズに限定されるものではない。
このように、固体で一定形状のはんだ材６０を用いることで、一定量のはんだ供給が可能であり、安定した品質のはんだ接合を行うことが可能となる。

また、超音波ヘッド２０１は、はんだ材６０の平面形状よりも小さい平面形状を有し、本実施形態では、超音波ヘッド２０１における吸着面のサイズが吸引穴径１ｍｍで、縦２ｍｍ、横２ｍｍであるものを用いた。超音波ヘッド２０１は、以下でも説明するが、吸引押圧振動装置２０２によって、真空吸引により吸着保持したはんだ材６０の搬送、さらに表面電極１２に押圧しながら超音波振動を印加して、表面電極１２へのはんだ材６０の接合を行う。
はんだ材６０において超音波ヘッド２０１で押圧された部分では、表面電極１２とはんだ材６０とが擦りあった結果、はんだ材６０の表面の酸化物と表面電極１２の表面の酸化部とが除去されて、両者の金属接合が実現できる。

はんだ材６０のサイズよりも小さいサイズの超音波ヘッド２０１を用いる理由は、表面電極１２へはんだ材６０を接合したときに、表面電極１２にはんだ材６０が接合した接合部６１（図２（ｃ））と、接合せずに表面電極１２から浮き上がった非接合部６２（図２（ｃ））とを形成するためである。また、小さいサイズとすることで、超音波接合の際に印加する荷重を小さくできる効果もある。
ここで、一例として、接合部６１は、はんだ材６０の平面形状中央部に位置し、非接合部６２は、はんだ材６０の周辺部に位置するように、超音波ヘッド２０１は、はんだ材６０を吸着する。本実施形態では、はんだ材６０及び超音波ヘッド２０１において上述のサイズ関係を有することから、通常、接合部６１がはんだ材６０の中央部に、非接合部６２がはんだ材６０の周辺部に位置させることは可能である（図１０のステップＳ３）。尚、接合部６１と非接合部６２との位置関係は、このような関係に限るものではなく、はんだ材６０の平面形状の一部分が接合部６１となり、他部分で非接合部６２となればよい。

次に、図２の（ｂ）に示すように、また既に上述したように、適切な温度に加熱しながら半導体素子１０の表面電極１２に、超音波ヘッド２０１によって真空吸着されたはんだ材６０を押圧し、さらに超音波２１０を印加する（図１０のステップＳ１からステップＳ３）。
表面電極１２の金属材料は、はんだで接合可能なＮｉ、Ｃｕなどの金属で構成する。一方、Ｎｉ及びＣｕは酸化しやすく、その表面に酸化物を有する。この酸化物は、はんだに濡れにくいため、酸化を防止するために、最表面にＡｕを成膜したものを通常用いる。ここで、はんだに濡れる金属とは、はんだの濡れ角度が鋭角になる金属をいう。
また、吸引押圧振動装置２０２による超音波の振動数は、本実施形態では、４０〜５０ＫＨｚで、荷重は１００Ｎ、超音波印加時間は１秒、また、半導体素子１０の表面電極１２の表面温度は、１００℃で実施した。勿論、これらの値に限定するものではない。

次に、図２の（ｃ）に示すように、超音波ヘッド２０１による真空吸引を停止して、超音波ヘッド２０１をはんだ材６０から外す。この場合のはんだ材６０の接合強度は、シェア破断試験で１０Ｎ程度の接合力で接合している。尚、図２の（ｃ）、（ｄ）では、非常に大まかに図示しているが、はんだ材６０において、表面電極１２にはんだ材６０が接合した接合部に「６１」を付し、接合せずに表面電極１２から浮き上がった非接合部に「６２」を付している。

図３の（ａ）には、表面電極１２にはんだ材６０を接合した、接合部６１及び非接合部６２を有するはんだ材６０の状態を斜視図で示している。本実施形態では図３の（ａ）に示すように、はんだ材６０の平面形状中央部は、表面電極１２と接合して接合部６１を形成し、中央部の周縁部、つまりはんだ材６０の平面形状周縁部は、表面電極１２とは接合せずに表面電極１２から浮き上がった非接合部６２を形成している。このように非接合部６２は、表面電極１２の厚み方向において半導体素子１０の反対側へ、つまり以下に述べるように本実施形態では外部電極３０側へ、反り、凹状に形成されている。

また、本実施形態では、超音波２１０を印加する際の超音波ヘッド２０１の温度は、約４０℃ではんだの融点以下であり、かつ、半導体素子１０の表面電極１２における表面温度は約１００℃ではんだの融点以下である。よって、はんだ材６０は、溶融せず、固体の形状を保ったまま変形され、表面電極１２に接合し、固定されることができる。また、はんだ材６０が溶融しないことから、表面電極１２を構成するＮｉがはんだ中に拡散する量は極めて少ない。よって、表面電極１２を構成するＮｉ膜厚を薄くすることができ、半導体素子１０の製造コストの低減が可能になる。

次に、図２の（ｄ）に示すように、上述のように表面電極１２に固定されたはんだ材６０の上に、外部電極３０を配置する。また図３の（ｂ）には、表面電極１２から浮き上がり外部電極３０側に凹状に形成された非接合部６２の上に外部電極３０を配置した状態を示している。
図３の（ｂ）に示すように、はんだ材６０の周縁部に位置する非接合部６２は、半導体素子１０の表面電極１２と接合していないため、表面電極１２との間に隙間６５が存在する。また、非接合部６２における角部、つまり本実施形態でははんだ材６０の四隅に相当する角部６２ｂは、外部電極３０と接触し、角部６２ｂ間には外部電極３０との間に隙間６５が存在する。

次に、図２の（ｅ）に示すように、いわゆるリフロー装置に相当し、内側を還元雰囲気に維持可能な加熱装置２２０を用いて、図２の（ｄ）及び図３の（ｂ）に示す状態における半導体素子１０、はんだ材６０、及び外部電極３０等をはんだ材６０の融点以上に加熱する。
この加熱により、はんだ材６０は溶融し、外部電極３０の表面及び半導体素子１０の表面電極１２の表面を濡れ広がり、半導体素子１０と外部電極３０とは、はんだ接合５５が行われる。

はんだ材６０の溶融開始前においては、上述のように、外部電極３０とはんだ材６０の非接合部６２における角部６２ｂとが接触しているため、還元雰囲気の加熱装置２２０内では、凹状のはんだ材６０の中央部に還元ガスが進入し易い。よって、はんだ材６０の表面に形成された酸化膜、及び外部電極３０の表面における酸化膜を除去することができる。その結果、はんだ材６０の溶融開始後では、溶融したはんだの濡れ拡がりが良好となり、ボイドの形成がない、はんだ接合５５を得ることができる。

また、還元雰囲気の加熱装置２２０にて加熱処理を実施する際、はんだ材６０は、半導体素子１０の表面電極１２に固定されているため、溶融前にはんだ材６０が移動することはない。したがって、表面電極１２上でのはんだ接合５５を確実に実現することが可能である。

また、表面電極１２の最表面をはんだに濡れやすい材料で、例えばＡｕ、Ａｇなどで構成しておくことで、溶融したはんだ材６０の濡れ広がりがさらに良好になり、ボイドの発生を無くすことができる。

以上説明したように、本実施の形態１による半導体装置の製造方法によれば、はんだ材６０による一定量のはんだ供給が可能であり、品質の安定したはんだ接合を得ることができる。また、半導体素子１０の表面電極１２と外部電極３０とをはんだ接合する前の状態では、はんだ材６０は、半導体素子１０の表面電極１２に固定されており、さらにこの固定されたはんだ材６０の非接合部６２と接触して外部電極３０が配置されている。よって、表面電極１２と外部電極３０との間を所望の隙間に設定する必要がないため、従来に比べて生産性の良好なはんだ接合が可能である。
さらに、はんだ材６０は、上述したように、溶融することなく表面電極１２に接合されることから、表面電極１２を構成するＮｉがはんだ中に拡散する量は極めて少ない。ちなみに、接合後の元素分析の結果から、接合界面付近のはんだ中のＮｉ含有量は０．２％以下であった。よって、表面電極１２を構成するＮｉ膜厚を薄くすることができ、半導体素子１０の製造コストの低減が可能になる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る半導体装置の製造方法について、図４を参照して以下に説明する。本実施の形態２における製造方法も、基本的に実施の形態１による製造方法に同じであり、使用する外部電極の形態が異なる点でのみ相違する。よって以下では、この相違点に係る部分のみについて説明を行う。

図４の（ａ）は、実施の形態１にて参照した図２の（ｃ）に対応する図であり、基板２０に半導体素子１０の裏面電極１１をダイボンド材５０で接合した後、半導体素子１０の表面電極１２に実施の形態１と同じ方法によって、はんだ材６０に超音波２１０を印加して接合した後の状態を示す。
次の工程における図４の（ｂ）では、表面電極１２に固定されたはんだ材６０の上に、外部電極３４を配置する。
このときはんだ材６０の非接合部６２は、上述したように、表面電極１２から浮き上がっており、外部電極３４側に凹状に形成されており、外部電極３４と非接合部６２における角部６２ｂとが接触する。

ここで外部電極３４は、外部電極３４の厚み方向３０ａにおいて外部電極３４を貫通した開口部３５を有する。開口部３５は、はんだ材６０の平面形状よりも小さい大きさであり、本実施形態では円柱状の穴形状である。本実施の形態では、開口部３５は、厚み方向３０ａに渡り同じ直径を有し、その直径は１ｍｍである。勿論、この値に限定されるものではない。
このような外部電極３４は、開口部３５をはんだ材６０に対向させて、一例として、開口部３５をはんだ材６０の接合部６１に対向させて、半導体素子１０の表面電極１２の上方に配置される。

次に、図４の（ｃ）に示すように、上述した、還元雰囲気の加熱装置２２０を用いて、図４の（ｂ）に示す状態における半導体素子１０、はんだ材６０、及び外部電極３４等をはんだ材６０の融点以上に加熱する。
この加熱により、図２の（ｅ）を参照して既に説明したように、はんだ材６０は溶融し、外部電極３４の表面及び半導体素子１０の表面電極１２の表面を濡れ広がり、半導体素子１０と外部電極３４とは、はんだ接合５５が行われる。

このとき、溶融したはんだは、外部電極３４の開口部３５に沿って濡れ広がり、開口部３５を充填し、フィレット５５ｃを形成する。このフィレット５５ｃを観察することで、はんだ材６０が溶融し、溶融はんだによる接合が確実に行われていることを確認することができる。このため、はんだ接合５５の後に、Ｘ線観察をしなくてもはんだ接合５５の良否を確認することができ、検査コストの低減が可能になる。

また、外部電極３４に開口部３５を設けることで、加熱装置２２０による還元ガス雰囲気中での加熱処理の際に、開口部３５を通して還元ガスがはんだ材６０の表面に容易に到達することができる。よって、外部電極３４及びはんだ材６０の表面の酸化膜を効率よく除去することができ、はんだの濡れ拡がりが良くなり、ボイドのないはんだ接合をより容易に実現することが可能になる。
その他、実施の形態１で説明した、従来に比べて良好な生産性で、かつ低コストにて半導体装置を製造することができるという効果も達成可能である。

実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３に係る半導体装置の製造方法について、図５を参照して以下に説明する。本実施の形態３における製造方法も、基本的には、実施の形態１による製造方法に同じであるが、実施の形態１では、半導体素子１０の表面電極１２にはんだ材６０を接合したのに対し、本実施の形態では外部電極３０にはんだ材６０を接合する点で相違する。以下では、この相違点に係る部分のみについて説明を行う。

図５の（ａ）では、外部電極３０にはんだ材６０を配置し、上述した超音波ヘッド２０１をはんだ材６０へ押圧する。外部電極３０へのはんだ材６０の接合方法は、実施の形態１において図２の（ｂ）を参照して既に説明した方法と同じである。また、はんだ材６０、超音波ヘッド２０１、及び超音波振動のそれぞれの大きさについても、実施の形態１で説明した内容と同じである。
その結果、外部電極３０に接合されたはんだ材６０は、図５の（ｂ）に示すように、はんだ材６０の平面形状中央部は、外部電極３０と接合して接合部６１を形成し、中央部の周縁部、つまりはんだ材６０の平面形状周縁部は、外部電極３０とは接合せずに外部電極３０から浮き上がった非接合部６２を形成している。このように非接合部６２は、外部電極３０の厚み方向３０ａにおいて外部電極３０とは反対側へ、つまり以下に述べるように本実施形態では半導体素子１０の表面電極１２側へ、反り、凹状に形成されている。

また図６の（ａ）は、外部電極３０にはんだ材６０が超音波２１０で接合した図５の（ｂ）の状態の斜視図である。はんだ材６０は凹面状態で外部電極３０に接合している。

次の工程に係る図５の（ｃ）では、基板２０に半導体素子１０の裏面電極１１をダイボンド材５０で接合した半導体素子１０の表面電極１２に対向して、外部電極３０に固定したはんだ材６０を配置し、表面電極１２にはんだ材６０を押し当てた状態を示す。また図６の（ｂ）はその状態の斜視図を示す。
このとき、外部電極３０に固定されたはんだ材６０の非接合部６２における角部６２ｂが半導体素子１０の表面電極１２と接触している。よって、実施の形態１で説明したように、はんだ材６０の角部６２ｂ間には、表面電極１２との間に隙間６５が存在している。

次の工程に係る図５の（ｄ）では、還元雰囲気の加熱装置２２０を用いて、図５の（ｃ）及び図６の（ｂ）に示す状態における半導体素子１０、はんだ材６０、及び外部電極３０等をはんだ材６０の融点以上に加熱する。この加熱により、はんだ材６０は溶融し、外部電極３０の表面及び半導体素子１０の表面電極１２の表面を濡れ広がり、半導体素子１０と外部電極３０とは、はんだ接合５５が行われる。このとき、既に実施形態１で説明したように、はんだ材６０と、外部電極３０及び表面電極１２との間に存在する隙間６５によって、表面電極１２の表面、及び外部電極３０の表面への還元ガスの流入が容易になる。よって、各電極表面の酸化膜を効率よく除去することができ、はんだの濡れ拡がりが良くなり、ボイドのないはんだ接合をより容易に実現することが可能になる。

以上説明したように本実施形態３の製造方法によれば、外部電極３０に対してはんだ材６０を超音波接合するように構成したことから、実施の形態１の場合と比べると、半導体素子１０の表面電極１２に対する超音波のダメージを懸念する必要がない。よって、半導体素子１０において表面電極１２の下方位置に配線及び素子を形成することが可能になり、半導体素子１０の設計の自由度を従来に比べて向上させることができる。
その他、実施の形態１で説明した、従来に比べて良好な生産性で、かつ低コストにて半導体装置を製造することができるという効果も併せて達成可能である。

実施の形態４．
次に、本発明の実施の形態４に係る半導体装置の製造方法について、図７を参照して以下に説明する。本実施の形態４に係る製造方法は、実施の形態２と実施の形態３とを組み合わせたものである。即ち、実施の形態２において説明した外部電極３４を用いて、実施の形態３で説明したように外部電極にはんだ材６０を接合させる製造方法を適用する。したがって、以下ではこの製造方法の要点のみを簡単に述べる。

図７の（ａ）は、実施の形態３で参照した図５の（ａ）に相当する図であり、外部電極３４の開口部３５に、一例として、はんだ材６０の平面形状中央部が対応するように、外部電極３４に対してはんだ材６０を配置する。そして、超音波ヘッド２０１を用いて超音波２１０をはんだ材６０に印加する。尚、本実施の形態において開口部３５の直径は１ｍｍであるが、これに限定されない。

次の図７の（ｂ）では、超音波ヘッド２０１による接合動作によってはんだ材６０が外部電極３４に超音波接合した状態を示している。また、接合状態では、はんだ材６０の平面形状中央部が接合部６１を形成し、中央部の周縁部、つまりはんだ材６０の平面形状周縁部が非接合部６２を形成している。非接合部６２は、外部電極３４の厚み方向３０ａにおいて外部電極３４とは反対側へ反り、凹状に形成されている。

次の工程に係る図７の（ｃ）では、外部電極３４に接合されたはんだ材６０を半導体素子１０の表面電極１２に対向させて配置した状態を示す。ここで、はんだ材６０の非接合部６２における角部６２ｂは、半導体素子１０の表面電極１２と接触している。よって、実施の形態１で説明したように、はんだ材６０の角部６２ｂ間には、表面電極１２との間に隙間６５が存在している。

次の工程に係る図７の（ｄ）では、還元雰囲気の加熱装置２２０を用いてはんだ材６０の融点以上に外部電極３４等を加熱し、半導体素子１０と外部電極３４とを、はんだ接合５５する。このとき、はんだ材６０と表面電極１２との間の隙間６５に加えて、外部電極３４における開口部３５を通して還元ガスが流れ込み、外部電極３４及びはんだ材６０の表面の酸化膜の除去がより進行する。
よって、本実施形態４の製造方法では、さらにボイドの無いはんだ接合部５５を実現することができる。また、実施の形態３における効果である、半導体素子１０の設計の自由度を従来に比べて向上させることができる。その他、実施の形態１で説明した、従来に比べて良好な生産性で、かつ低コストにて半導体装置を製造することができるという効果も併せて達成可能である。

実施の形態５．
本発明の実施の形態５に係る半導体装置の製造方法について、図８を参照して以下に説明する。本実施の形態５における製造方法も、基本的に実施の形態１による製造方法に同じであり、使用する外部電極の形態が異なる点でのみ相違する。よって以下では、この相違点に係る部分のみについて説明を行う。
尚、以下に説明するように本実施の形態では、はんだ材６０を半導体素子１０の表面電極１２に接合させるが、実施の形態３等による製造方法のように、はんだ材６０を接合する電極を外部電極としてもよい。

実施の形態２、４において用いた外部電極３４では、開口部３５は、円柱状の穴の形態を有している。これに対し本実施の形態５では、外部電極３６の厚み方向３０ａにおいて外部電極３６を貫通した開口部３７は、図８の（ａ）及び（ｂ）に示すように、外部電極３６の側縁部３６ａに形成した切欠の形態を有する。即ち、本実施形態５における開口部３７は、側縁部３６ａに対して凹状に形成した長方形状のスリットであり、一例としてスリット幅Ｗが２ｍｍで、スリット長Ｌが１ｍｍである。勿論、この値に限定されるものではない。

このような外部電極３６は、上述した各実施の形態にて実行される製造方法において用いられている外部電極３０、３４と置き換えて使用することができる。一方、外部電極３４を用いた実施の形態２，４における説明では、はんだ材６０における接合部６１を、一例として開口部３５に対応させて配置することもできる旨を述べた。しかしながら、実施の形態２，４において外部電極３６を用いる場合には、開口部３７が外部電極３６の側縁部３６ａに位置することから、外部電極３６の開口部３７から外れた位置、例えば外部電極３６の幅方向中央部に対応して接合部６１を配置することになる。

上述した各実施の形態にて実行される製造方法にて、はんだ材６０及び外部電極３６を用いて、半導体素子１０の表面電極１２と外部電極３６とをはんだ接合した状態が図８の（ａ）及び（ｂ）に示されている。

このような外部電極３６を用いることで、穴形状の開口部３５を設けた外部電極３４の場合と比べて、はんだ接合５５の状態、つまりはんだフィレットの状態を外部から観察することがより容易になる。即ち、本実施形態５における外部電極３６の開口部３７は、穴形状のように閉じられた空間ではなく、外部電極３６の側縁部３６ａに一端が開放されている。したがって、この開放端からはんだ接合部５５のはんだの濡れ具合、つまりはんだフィレットの状態を外から容易に観察することができる。その結果、はんだ接合５５の品質をより均一に保つことが可能であり、低コストではんだ接合状態の検査が可能となる。また、勿論、実施の形態１で説明した、従来に比べて良好な生産性で半導体装置を製造することができるという効果も併せて達成可能である。また、外部電極３６にはんだ材６０を接合する構成を採った場合には、実施の形態３で説明した半導体素子１０の設計の自由度を従来に比べて向上させることができるという効果も併せて達成可能である。

実施の形態６．
本発明の実施の形態６に係る半導体装置の製造方法について、図９を参照して以下に説明する。本実施の形態６における製造方法も、基本的に実施の形態１による製造方法に同じであり、使用する外部電極の形態が異なる点でのみ相違する。よって以下では、この相違点に係る部分のみについて説明を行う。

図９では、本実施形態６における外部電極３８と半導体素子１０の表面電極１２とを、はんだ材６０を溶融させてはんだ接合した状態を示している。本実施の形態６では、はんだ材６０を接合する電極は問わず、実施の形態１のように表面電極１２であってもよいし、実施の形態３等のように外部電極であってもよい。

外部電極３８においても開口部を有しており、この開口部３９は、穴形状であり、本実施の形態６では、外部電極３８の厚み方向３０ａにおいて、半導体素子１０の表面電極１２側から反電極側へ向けてテーパー状に形成されている。即ち、外部電極３８の開口部３９において、表面電極１２側に位置する一方端３９ａは、第１直径にて開口し、表面電極１２とは反対側の反電極側に位置する他方端３９ｂは、第１直径よりも小さい第２直径にて開口する。よって、外部電極３８の厚み方向３０ａにおいて、開口部３９の一方端３９ａから他方端３９ｂに向けて開口部３９は先細り形状である。本実施の形態６では、一例として、厚さ１ｍｍの外部電極３８に対して、開口部３９の一方端３９ａにおける第１直径を４．４ｍｍ、開口部３９の他方端３９ｂにおける第２直径を１ｍｍとしている。勿論、開口部３９におけるこれらのサイズは、これらに限定するものではない。

このように、はんだ材６０に隣接する一方端３９ａを大径にて開口し、他方端３９ｂに向けてテーパー状の開口部３９を有することで、大径部分の一方端３９ａのコーナー付近３９ｃでのはんだの形状がゆるやかに変化する。よって、コーナー付近３９ｃでのはんだのひずみを緩和することができ、はんだ中に発生する最大ひずみを小さくすることができる。その結果、コーナー付近３９ｃで発生するクラックを抑制することができる。したがって、はんだ接合５５の寿命、ひいては本実施形態の製造方法で製造される半導体装置１０１の寿命を延ばすことができる。

また、開口部３９を有することから、実施の形態２等にて説明した、はんだ接合部５５のはんだの濡れ具合を外から容易に観察することができるという効果、実施の形態１で説明した、従来に比べて良好な生産性で半導体装置を製造することができるという効果も併せて達成可能である。また、はんだ材６０を外部電極３８に接合させる構成にあっては、実施の形態３で説明した、半導体素子１０の設計の自由度を従来に比べて向上させることができるという効果も併せて達成可能である。

本実施の形態６では、開口部３９は、穴形状であるが、実施の形態５にて説明したスリット形状としてもよい。

また、各実施の形態を適宜組み合わせた構成を採ることも可能である。その場合、組み合わせた各実施形態が奏する効果を得ることができる。

１０、１０Ａ、１０Ｂ 半導体素子、１２ 表面電極、
３０，３４，３６，３８ 外部電極、３０ａ 厚み方向、３６ａ 側縁部、
３５，３７，３９ 開口部、６０ はんだ材、６１ 接合部、６２ 非接合部、
１０１ 半導体装置、２０１ 超音波ヘッド、２２０ 加熱装置。

Claims (6)

1. 半導体素子における電極と外部電極とをはんだ材を利用して接合し形成される半導体装置の製造方法であって、
   上記はんだ材の平面形状よりも小さい形状のヘッドにて、上記はんだ材を上記半導体素子の電極に押圧して、上記はんだ材に超音波を印加することで、上記半導体素子の電極に上記はんだ材が接合した接合部と、接合せずに上記半導体素子の電極から浮き上がった非接合部とを形成する工程と、
   上記半導体素子の電極の上方に上記はんだ材を介して上記外部電極を配置する工程と、
   上記半導体素子を上記はんだ材の融点以上に加熱して上記半導体素子の電極と上記外部電極とを接合する工程と、
   を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 上記外部電極は、外部電極の厚み方向において当該外部電極を貫通した開口部を有する、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 半導体素子における電極と外部電極とをはんだ材を利用して接合し形成される半導体装置の製造方法であって、
   上記はんだ材の平面形状よりも小さい形状のヘッドにて、上記はんだ材を上記外部電極に押圧して、上記はんだ材に超音波を印加することで、上記外部電極に上記はんだ材が接合した接合部と、接合せずに上記外部電極から浮き上がった非接合部とを形成する工程と、
   上記外部電極を上記はんだ材を介して上記半導体素子の電極の上方に配置する工程と、
   還元ガス雰囲気中にて、上記半導体素子を上記はんだ材の融点以上に加熱して上記半導体素子の電極と上記外部電極とを接合する工程と、
   を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 上記外部電極は、外部電極の厚み方向において当該外部電極を貫通した開口部を有する、請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
5. 上記開口部は、上記外部電極の側縁部に形成した切欠である、請求項２又は４に記載の半導体装置の製造方法。
6. 上記開口部は、上記厚み方向において、上記半導体素子の電極側から反電極側に向けてテーパー状である、請求項５に記載の半導体装置の製造方法。

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