JP6102452B2 - 半導体装置の製造方法及びハンダ付け用錘 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置の製造方法及びそれに用いられるハンダ付け用錘に係る発明であって、例えばパワー半導体モジュールの製造におけるハンダ付け工程に適用できる。
ＩＧＢＴモジュールなどのパワー半導体モジュールの製造工程において、回路基板上にパワー半導体素子を、金属ベース板上に回路基板を、それぞれハンダ付けする工程が一般的に行われている。このように基材上にハンダ付け物品をハンダ付けする場合、ハンダ付け物品と基材との間に介在するハンダの溶融時に、溶融したハンダの表面張力でハンダ付け物品の位置がずれたり、ハンダ付け物品の接合面全体にハンダが行き渡らないなどの不具合が発生する場合がある。このような不具合を抑制する手段として、ハンダ付け工程の際にハンダ付け物品上に錘を載置し、溶融したハンダを加圧する方法が提案されている（例えば、特許文献１〜３）。
特開２００７−１８０４５６号公報 特開平６−１６３６１２号公報 特開２０１１−２４９５７８号公報
パワー半導体モジュールのハンダ付け工程において、基材に反りが発生することが知られている。
例えば、基材と回路基板とをハンダ付けする際には、基材と回路基板との熱膨張率が異なるため、ハンダ凝固後に基材は上に凸方向に反りが生じる。
パワー半導体モジュールにおいて基材の上に凸方向の反りは、放熱フィンへの取付けの際のサーマルコンパウンド塗布に広がりムラを生じさせ、放熱性の低下につながるため望ましくない。よって、ハンダ付けによる反りを打ち消し平坦にするため、ハンダ付け前の基材は、意図的に前もって下に凸方向に反り付けを行っておくことがしばしばある。模式図を図５に示す。
このようにハンダ付け工程時に反りがある基材３０上において、前記のように錘１０を載置してハンダ付け工程を行った場合（図６（ａ））、ハンダ５０の溶融時に重力によってハンダ５０が高さが低い側に流れ込んでしまうため、錘１０を搭載しても接合面全体にハンダ５０を拡がらせる効果が小さくなることが、本発明者の鋭意研究により明らかとなった。このため基材３０の高さが高い部位のハンダ厚が薄くなるとともに、ボイド５１も発生してしまうため（図６（ｂ））、パワー半導体モジュール動作時の放熱特性に悪影響が出ることとなる。
またパワー半導体モジュールの製造においては、ハンダ付け物品の基材へのハンダ付け工程の後に、ワイヤーボンディングによるハンダ付け物品上面への配線工程を行うことが、これまで一般的であった。しかし近年においては上部への配線工程を行ってからハンダ付け物品単位で動作試験を行い、良品のみを基材にハンダ付けする工程も普及しつつある。これは基材にすべてのハンダ付け物品をハンダ付けした後に動作試験を行い、一部ハンダ付け物品のみが不良品だった場合には、損失金額が大きくなるからである。
このように上部への配線工程を行ったハンダ付け物品を基材にハンダ付けする際には、上部配線と錘が干渉してしまうため、前記従来技術における錘による溶融ハンダへの加圧手法を用いることができない。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、パワー半導体モジュールのハンダ付け工程において、基材の反りによるハンダの厚さムラやボイドの発生を抑えるとともに、ハンダ付け物品の上部配線の有無にかかわらず安定したハンダ付けを行うことができる半導体装置の製造方法、及びそれに用いられるハンダ付け用錘を提供するものである。
前記の目的を達成するために、この発明の一態様では、次のように半導体装置の製造方法が構成される。ハンダと、ハンダ付け物品と、前記ハンダの融点以上の温度において、主面に反りによる高低差がある基材と、重心が前記ハンダ付け物品の中心からシフトされるように、前記ハンダ付け物品と当接する面の縁部にのみ足を有するよう構成された錘と、前記ハンダ付け物品を前記基材主面の所定範囲に保持するための孔を有する位置決め治具と、溶融した前記ハンダをせき止めることができるダム材と、を準備する。前記基材主面の所定範囲の縁部のうち前記反りで相対的に高さが低くなる側の縁部に、前記ダム材を配置する。次に、前記基材の主面に前記位置決め治具を載置し、前記孔に前記ハンダと、前記ハンダ付け物品とを重ねて載置し、前記ハンダ付け物品の上面に、前記錘を、前記反りで相対的に高さが低くなる側に前記重心が位置するように載置する。そして前記ハンダの融点以上の温度に昇温する。
またこの発明の他の様態では、ハンダ付け用錘は、本体と足で構成され、前記本体が直方体であり、前記本体のハンダ付け物品と対向する面の一の縁部側にのみ縁部にのみ前記足が偏って配置されており、重心が前記本体の中心から前記一の縁部側へシフトされていることを特徴とする構成とする。
上記の手段によれば、基材上の高さが低い側にダム材を配置しているため、ハンダの流れがせき止められる。また錘の重心をハンダ付け物品の中心ではなく、反りにより高さが低くなる位置にシフトするように錘を配置することにより、高さが低くなる側のハンダが高くなる側に押し出される。このためハンダ付け物品を接合するためのハンダ厚が均等になるとともにボイドの発生が抑えられる。また錘とハンダ付け物品上面の構造物、例えばボンディングワイヤや半導体素子などとの干渉を防ぐことができるため、それらの有無にかかわらず、安定したハンダ付け工程が可能となっている。
実施例に係るハンダ付け用錘の（ａ）平面図、（ｂ）正面図および（ｃ）下面図である。 実施例に係る半導体装置の製造方法の模式図である。 実施例に係るハンダ付け用錘の足形状を示した下面図である。 実施例に係るダム材の配置を示した上面図である。 従来例を説明するための半導体装置の製造工程の模式図である。 従来例を説明するための半導体装置の製造方法の模式図である。
以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を図面に基づいて説明する。
実施の形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。
なおこの実施例は、説明された実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。
図１は本発明の実施形態におけるハンダ付け用錘の平面図・正面図および下面図である。
ハンダ付け用錘１０は、直方体を有する錘本体１１、およびそれに付随する足１２、爪１３及び持ち手１４を有している。
足１２は直方体の錘本体１１のハンダ付け物品と対向する面の縁部にのみ配置されている。これによりハンダ付け物品上面の構造物、例えばボンディングワイヤの上部配線との干渉を防ぐことができるため、それらの有無にかかわらず、安定したハンダ付けを実現することができる。また図に示すように足１２はハンダ付け物品と当接する面において非対称に配置されるため、錘の重心１５は錘１０の中心からずれるように構成されている。
爪１３は、直方体の錘本体のハンダ付け物品と対向する面の、足１２が配置されていない角部に配置されており、ハンダ付け工程の際に錘１０と共に用いられるハンダ付治具との位置決め用途のために配置されている。爪１３を配置することにより、ハンダ付け治具との接触面積を広く取ることができるため、例えばハンダ付け工程前のハンダ板の反りが大きく、錘１０が過度に上部に浮いた場合においても、ハンダ付治具との位置関係を確保することができる。また爪１３が、非対称に配置された足１２から離れて、錘本体１１の側面の角に配置されているので、ハンダ付け物品に対する錘の位置決めと重心のシフトが容易になる。
持ち手１４は、パワー半導体モジュールのハンダ付け工程において、錘１０を設置する際に作業を容易にするために備えられている。
図２は本発明の実施形態における、基材に対するハンダ付け物品のハンダ付け方法を示した模式図である。
図２（ａ）はハンダ溶融前の状態を示した模式図である。
ハンダ付け物品４０を基材３０に以下のようにハンダ付けする。ここで基材３０は板状の直方体であり、基材３０の主面上に一個もしくは複数個の平面四角形状のハンダ付け物品４０をハンダ付けする。板状の基材３０が下に凸の反りがある場合、基材３０の周辺部に載置されるハンダ付け物品では基材３０の外周部側が高くなるなどの高低差が生じる。
まず基材３０のハンダ付け物品を搭載する所定範囲の縁部に、ダム材６０を配置する。図２（ａ）に示すように所定範囲のうち、ハンダ溶融時に高さが低くなる側の縁部にダム材６０を配置する。このダム材６０は、レジスト材や黒鉛粉末などのように基材３０に固着されるものでも良いし、治具のように基材３０に固着されず載置されるものでも良い。また、レーザービームの照射により基材３０の表面に凹凸や酸化膜を形成したものでも良い。
続いてハンダ付け物品４０の位置決めのための孔を有するハンダ付け治具２０を、基材３０の上に載置する。さらに基材３０上の所定の箇所に板ハンダ材などのハンダ５０及びハンダ付け物品４０を積み重ねるように載置する。さらに錘１０をハンダ付け物品の上面に、反りで相対的に高さが低くなる側にシフトされた重心を向けて載置して、ハンダ付け工程の準備は完了する。
この後ハンダ５０の融点以上の温度に昇温する。この際ハンダ５０が溶融されている状態を示した図が図２（ｂ）である。
この図より、基材３０上の高さが低い側にダム材６０を配置しているため、ハンダ５０の流れがせき止められている。また錘の重心１５をハンダ付け物品の中心ではなく、高さが低い位置にシフトするように錘１０を配置することにより、高さが低い側のハンダ５０が高い側に押し出されていることがわかる。このように基材３０の高さが低い側にダム材６０を配置するとともに、錘の重心１５を高さが低い側にシフトさせて配置することにより、従来例と比べて高さが高い側のはんだ量が増加するため、ボイドの発生が抑えられる。
本発明においては、錘の重心１５の位置、及び錘の重さＷ（ｇ）とハンダ付け物品の面積Ａ（ｍｍ2）の比が最適な範囲で初めて上記のような効果が得られる。そこで次に上記パラメータの最適な範囲について、溶融・凝固後のハンダ状態の良否を調べて検討した結果を表１に示す。この実験はハンダ材としてＳｎ−５ｗｔ％Ｓｂ（液相温度２４０℃）、昇温雰囲気としてはＨ2ガスを用い、３００℃以上で６分保持した条件で行った。
なおここで錘の重心１５の位置に関しては、図２（ａ）に記載のＬ1およびＬ2から、以下の式（１）でＧとして数値化している。
Ｇ＝Ｌ2／Ｌ1・・・（１）
Figure 0006102452
 表１中の実施例１〜５は、溶融後のハンダ５０にボイドや厚さの偏りがなく、良好な接合状態が得られた条件である。一方比較例１〜４は、溶融後のハンダ５０に引けボイドがみられたり、厚さに偏りがあったりしたため、良好な接合状態が得られなかった条件である。
比較例１は、重心が低い側にシフトしすぎているため、ハンダ５０を高さが高い位置まで伝播する力が足りず、ハンダ厚に偏りが出たものである。また比較例２は、重心をハンダ付け物品５０の中心に置いたことから、ハンダ付け物品５０の接合面全体に荷重がかかり、ハンダ厚に偏りが出るとともにボイド５１が発生している。
比較例３は、ハンダ付け物品の面積に比べて錘の重さが足りず、荷重するための錘の機能が不十分であったため、ハンダ厚に偏りが出るとともにボイドも発生している。また比較例４は、ハンダ付け物品の面積に比べて錘の重さが過剰であったため、重心がある側の所定領域縁部のハンダが薄くなりすぎるとともに、ボイドも発生していたことから、接合状態に問題が出たものである。
この実験結果から、上記パラメータの最適条件は以下（２）、（３）の条件であることがわかった。
０．１≦Ｇ≦０．４５・・・（２）
０．００２≦Ｗ／Ａ≦０．２・・・（３）
なおこの実験は前述の通りＳｎ−Ｓｂ系はんだ材料で行ったが、通常のハンダ付け工程で行われる加熱時のピーク温度はハンダの溶融液相温度よりかなり高く設定されていることから、Ｓｎ−Ｓｂ系以外のハンダ材料においてもハンダの粘性は同程度に低くなるため、いずれのハンダ材料においても上記と同様の最適条件となる。
続いて図３において、本発明の実施形態における錘１０の直方体の本体１１に付随する足１２の好ましい形状について述べる。この図ではいずれも錘１０の下面図、すなわちハンダ付け物品と当接する面を示しており、足１２にはわかりやすいように斜線を追加している。
図３（ａ）は、足１２がＵ字形状部材からなる場合の実施例である。この場合、錘本体１１のハンダ付け物品に対向する面の縁部のうち３辺に足１２が配置されているため、錘１０をハンダ付け物品上面により安定して設置することが可能である。
図３（ｂ）は、足１２が複数の直線形状部材からなる場合の実施例である。この場合、足１２が複数の直線形状部材であることから、錘１０がハンダ付け物品の上面で自立可能であるとともに、足１２の範囲が最小限であるため、ハンダ付け物品上面の構造物が広い範囲にある場合であっても錘１０とは干渉しにくくなるため有効である。
この図で示したように、錘１０における足１２の部材形状及びその配置については、錘１０が傾かずに自立可能であり、錘の重心１５の位置が最適な箇所にシフトして配置され、かつハンダ付け物品上面の構造物と干渉しないように配置されていれば、どのような部材形状及び配置であっても良い。
なお、錘本体１１は本実施例では直方体を有しているが、これはハンダ付け用錘と当接するハンダ付け物品（パワー半導体素子や回路基板）が一般に平面四角形状を有しており、図２で示したようにハンダ付け治具を用いてハンダ付け物品とハンダ付け用錘を一体として位置決めすることにより、安定的なハンダ付け工程を行うことができるため、直方体となっているものである。すなわちハンダ付け物品の平面形状に応じて、錘本体１１の形状を対応させる方が良い。
また錘１０の材料に関しては、ハンダ付け工程時の高温に耐えられるとともに、はんだ５０に対して適切な荷重がかけられる比重を有する材料であれば何でもよいが、好ましくは耐熱性が高く、比重が大きい金属材料が適している。また足１２や爪１３、持ち手１４などは錘本体１１と同一の材料でも良いし、重心１５の位置をより最適に調整するため、錘本体１１とは異なる材料を用いてもよい。
続いて図４において、本発明の実施形態におけるダム部６０を配置する範囲について述べる。この図では、図２（ａ）で示したハンダ付け準備工程の際の上面図を記している。
図４（ａ）は、ダム材６０を基材３０の所定範囲のうち、高さが低い側（錘の重心１５がシフトしている側）の縁部のみに配置した場合の実施例である。この場合、ダム材６０の材料が最小限で済むため、ダム材のコストを抑えたい場合などに有効である。
図４（ｂ）は、ダム材６０を基材３０の所定範囲のうち、高さが低い側（錘の重心１５がシフトしている側）の縁部１辺と、それと隣接する縁部２辺の計３辺に配置した場合の実施例である。この場合、高さが低い側のみならず、それと隣接する縁部へのハンダはみ出しも防止することができるため、有効である。
図４（ｃ）は、ダム材６０を基材３０の所定の箇所の縁部すべての辺に配置した場合の実施例である。この場合、縁部へのハンダはみ出しをすべて防止することができるため、ハンダのはみ出しを完全に防止したい場合に有効である。
なお本発明での基材３０の傾きに関しては、図５に示す基材３０の長さＤと反り値Ｓの関係が以下（４）の範囲の場合に、高い効果が得られる。
０．００３≦Ｓ／Ｄ・・・（４）
またハンダ付け工程時に錘１０の荷重によりハンダ５０の厚さが薄くなりすぎるのを防止するため、基材３０の表面に所定高さの突起を形成したり、はんだ中にスペーサとして機能するフィラーを含有させることにより、ハンダ厚をより均等にすることができる。
１０ ハンダ付け用錘
１１ 錘本体
１２ 足
１３ 爪
１４ 持ち手
１５ 錘の重心
２０ ハンダ付け治具
３０ 基材
４０ ハンダ付け物品
５０ ハンダ
５１ ボイド
６０ ダム材

Claims (11)

  1. ハンダと、ハンダ付け物品と、
    前記ハンダの融点以上の温度において、主面に反りによる高低差がある基材と、
    重心が前記ハンダ付け物品の中心からシフトされるように、前記ハンダ付け物品と当接する面の縁部にのみ足を有するよう構成された錘と、
    前記ハンダ付け物品を前記基材主面の所定範囲に保持するための孔を有する位置決め治具と、
    溶融した前記ハンダをせき止めることができるダム材と、
    を準備し、
    前記基材主面の所定範囲の縁部のうち前記反りで相対的に高さが低くなる側の縁部に、前記ダム材を配置する工程と、
    前記基材の主面に前記位置決め治具を載置する工程と、
    前記孔に前記ハンダと、前記ハンダ付け物品とを重ねて載置する工程と、
    前記ハンダ付け物品の上面に、前記錘を、前記反りで相対的に高さが低くなる側に前記重心が位置するように載置する工程と、
    前記ハンダの融点以上の温度に昇温する工程と、
    を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記ハンダの融点以上の温度で昇温する工程の直前において、
    前記反りで前記ハンダ付け物品の高さが相対的に低くなる縁部と、前記反りで前記ハンダ付け物品の高さが相対的に高くなる縁部との距離に対する、前記反りで前記ハンダ付け物品の高さが相対的に低くなる縁部と、前記錘の重心位置との距離の比が、０．１以上０．４５以下である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。
  3. 前記ハンダ付け物品の主面の面積に対する、前記錘の重さの比が、０．００２〜０．２（ｇ／ｍｍ２）であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記ハンダの融点以上の温度で昇温する工程の直前において、前記ハンダ付け物品の上部に立体的な構造物が配設されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記ダム材が、レジスト材、黒鉛材料、治具、レーザービーム照射パターンのいずれかで構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記基材の主面の所定範囲内に突起が設けられていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記ハンダにフィラーが含有されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 本体と足で構成され、
    前記本体が直方体であり、前記本体のハンダ付け物品と対向する面の一の縁部側にのみ前記足が偏って配置されており、
    重心が前記本体の中心から前記一の縁部側へシフトされていることを特徴とするハンダ付け用錘。
  9. 前記足が、Ｕ字形状部材からなることを特徴とする請求項８に記載のハンダ付け用錘。
  10. 前記足が、複数の直線形状部材からなることを特徴とする請求項８に記載のハンダ付け用錘。
  11. 前記本体の前記ハンダ付け物品と対向する面の、前記足が配置されていない角部に爪が配置されていることを特徴とする請求項８ないし１０のいずれか１項に記載のハンダ付け用錘。
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