JP7014955B2

JP7014955B2 - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP7014955B2
Application number: JP2017165015A
Authority: JP
Inventors: 宏丞林
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2017-08-30
Filing date: 2017-08-30
Publication date: 2022-02-02
Anticipated expiration: 2037-08-30
Also published as: JP2019046840A

Description

本開示は、半導体装置の製造方法に関する。

例えば特許文献１には、半田の中にボイドが生じ難い電子部品の実装方法が記載されている。

特開２０１１－１３４８３１号公報特開２０１５－１６２６５１号公報

しかしながら、今尚、半田の中に生じるボイドにおいては、改善の余地がある。

そこで、本発明の一実施の形態は、半田層のボイドを抑えることができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一実施の形態の半導体装置の製造方法は、配線基板の１つのパッド上に、前記パッドの中心に近いほど頂点の位置が高い複数の半田ドットを形成する第１工程と、半導体素子を前記複数の半田ドットの全数を覆うように載置して、前記複数の半田ドットを溶融させて半田層を形成する第２工程と、を備えることを特徴とする。

上記一実施の形態の半導体装置の製造方法によれば、半田層のボイドを抑えることができる。

本発明の一実施の形態に係る半導体装置の概略上面図である。図１ＡにおけるＡ－Ａ断面を示す概略断面図である。本発明の一実施の形態に係る半導体装置の製造方法における一工程を説明するための概略上面図である。図２ＡにおけるＢ－Ｂ断面を示す概略断面図である。本発明の一実施の形態に係る半導体装置の製造方法における一工程を説明するための概略上面図である。図３ＡにおけるＣ－Ｃ断面を示す概略断面図である。

以下、発明の実施の形態について適宜図面を参照して説明する。但し、以下に説明する半導体装置及びその製造方法は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本発明を以下のものに限定しない。また、図面が示す部材の大きさ及び位置関係などは、説明を明確にするため、誇張していることがある。

＜実施の形態１＞
（半導体装置１００）
図１Ａは、実施の形態１に係る半導体装置１００の概略上面図である。図１Ｂは、図１Ａに示す半導体装置１００のＡ－Ａ断面における概略断面図である。

図１Ａ，１Ｂに示すように、実施の形態１の半導体装置１００は、配線基板１０と、半田層２０と、半導体素子３０と、を備えている。さらに、半導体装置１００は、ワイヤ４０と、封止部材５０と、を備えている。配線基板１０は、基体１１と、その基体１１の上面に設けられたパッド１５及びパッド以外の配線１６と、を有している。半導体素子３０は、パッド１５上に、半田層２０を介して、接合されている。半導体素子３０は、パッド以外の配線１６にワイヤ４０で接続されている。半導体素子３０及びワイヤ４０は、封止部材５０で封止されている。

（半導体装置１００の製造方法）
図２Ａは、実施の形態１に係る半導体装置１００の製造方法における第１工程を説明するための概略上面図である。図２Ｂは、図２ＡにおけるＢ－Ｂ断面を示す概略断面図である。図３Ａは、実施の形態１に係る半導体装置１００の製造方法における第２工程を説明するための概略上面図である。図３Ｂは、図３ＡにおけるＣ－Ｃ断面を示す概略断面図である。

実施の形態１の半導体装置１００の製造方法は、以下のような第１工程、第２工程を備える。第１工程は、図２Ａ，２Ｂに示すように、配線基板１０の１つのパッド１５上に、パッド１５の中心に近いほど頂点の位置が高い複数の半田ドット２５を形成する工程である。第２工程は、図３Ａ，３Ｂに示すように、半導体素子３０を複数の半田ドット２５の全数を覆うように載置して、複数の半田ドット２５を溶融させて半田層２０を形成する工程である。

このような構成を有する半導体装置１００の製造方法によれば、パッド１５と半導体素子３０との接合を、頂点の位置が最も高い半田ドット２５１によって開始させ、その後、順次、頂点の位置がより低い半田ドット（例えば２５２，２５３）によって進行させやすくすることができる。したがって、パッド１５と半導体素子３０との接合を、パッド１５の中心から周縁へ向かう方向に進行させやすくすることができる。これにより、パッド１５と半導体素子３０との接合の進行が、半田ドット２５間にあった気体をパッド１５の外側へ排出するように作用して、半田層２０のボイドを抑えることができる。

なお、半田ドット２５の頂点の位置の高さは、パッド１５の上面が平坦であって、半田ドット２５の厚さのみで決まることが簡便で好ましい。但し、パッド１５の上面が凹部及び／若しくは凸部を有し、半田ドット２５がその凹部若しくは凸部上に配置されることで、半田ドット２５の頂点の位置の高さが調整されてもよい。また、パッド１５の中心は、上面視における幾何中心で定義することができる。

以下、実施の形態１の半導体装置１００の製造方法の好ましい形態について詳述する。

図２Ａ，２Ｂに示すように、頂点の位置が最も高い半田ドット２５１は、パッド１５の中心に配置されることが好ましい。これにより、パッド１５の中心を、パッド１５と半導体素子３０との接合の起点とすることができ、半田ドット２５間にあった気体をパッド１５の外側へ排出しやすくすることができる。

図２Ａ，２Ｂに示すように、頂点の位置が同等の高さとなる半田ドット２５が、パッド１５の中心に対して対称に配置されることが好ましい（例えば半田ドット２５２，２５３）。これにより、パッド１５と半導体素子３０との接合をパッド１５の中心に対して対称に進行させやすくし、半田ドット２５間にあった気体をパッド１５の外側へ均等に排出しやすくすることができる。

図２Ａ，２Ｂに示すように、半田ドット２５の径は、パッド１５の中心から遠い半田ドット２５ほど大きいことが好ましい（例えば半田ドット２５２の径＜半田ドット２５３の径）。これにより、各半田ドット２５の体積の差を小さくしやすいので、半田層２０の厚さ分布を制御しやすくすることができる。

図２Ａ，２Ｂに示すように、半田ドット２５はパッド１５の中心を通る１つ以上の直線上に並置され、同一直線上に並置された隣り合う半田ドット２５の中心間距離はパッド１５の中心から遠いほど大きいことが好ましい（例えば半田ドット２５１－２５２の中心間距離＜半田ドット２５２－２５３の中心間距離）。これにより、パッド１５の中心側より周縁側において空間を広く取っておくことができ、半田ドット２５間にあった気体のパッド１５の外側への排出を促進することができる。

図３Ａ，３Ｂに示すように、第２工程において、半導体素子３０は、複数の半田ドット２５のうち、頂点の位置が最も高い半田ドット２５１の頂点に対して、距離が最小となる状態に載置されることが好ましい。これにより、頂点の位置が最も高い半田ドット２５１によるパッド１５と半導体素子３０との接合の開始を高確率に得やすくすることができる。なお、このような半導体素子３０の姿勢は、仮止め剤２８の補助によって、形成及び維持しやすくすることができる。また、半導体素子３０は、当該半導体素子の中心とパッド１５の中心が一致するように載置されることが好ましいが、パッド１５の中心と半導体素子３０の中心とのズレは、半田ドット２５の溶融によるセルフアライメント作用によって補正することもできる。

第１工程は、頂点の位置が同等の高さの複数の半田ドットをパッド１５上に形成する段階と、その頂点の位置が同等の高さの複数の半田ドットをプレスすることによって、パッド１５の中心に近いほど頂点の位置が高い複数の半田ドット２５を形成する段階と、を含むことが好ましい。このように、プレス金型を用いて半田ドットを成形することで、各半田ドット２５の高さ、径、体積、及び配置を高精度に制御することができる。また、生産性においても優れている。さらに、半田ドット２５の上面が平坦になることで、半田ドット２５上への半導体素子３０の載置を安定させることができる。

第２工程において、複数の半田ドット２５をフラックスレスリフローによって溶融させることが好ましい。フラックスレスリフローによれば、パッド１５と半導体素子３０との接合を気化したフラックス成分による影響無く進行させることができるので、半田ドット２５間にあった気体のパッド１５の外側への排出を制御しやすくすることができる。フラックスレスリフローとしては、例えば、蟻酸還元リフロー、水素還元リフローなどが挙げられる。

以下、本発明の一実施の形態に係る半導体装置の各構成要素について説明する。

（配線基板１０）
配線基板は、基体と、その基体上に保持された、半導体素子が設置されるパッド、及び半導体素子と電気的に接続される配線と、を有する。配線基板は、基体の材質及び厚さによって、リジッド基板若しくは可撓性基板（フレキシブル基板）とすることができる。また、配線基板は、平板状の形態が半田ドットの形成及び半導体素子の実装を簡便にでき好ましいが、半導体素子を収容可能な凹部を有する形態でもよい。

（基体１１）
基体は、電気的絶縁性を有するものが好ましいが、導電性を有するものでも、絶縁膜などを介することでパッド及び配線と電気的に絶縁させることができる。基体の材料としては、セラミック、金属、樹脂（繊維強化樹脂を含む）などが挙げられる。具体的には、セラミックとしては、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、及びこれらの混合物のうちのいずれか１つを用いることができる。金属としては、銅、鉄、ニッケル、クロム、アルミニウム、銀、金、チタン、及びこれらの合金のうちのいずれか１つを用いることができる。樹脂としては、エポキシ樹脂、ＢＴレジン、ポリイミド樹脂、及びこれらの変性樹脂のうちのいずれか１つを用いることができる。

（パッド１５、パッド以外の配線１６）
パッド及び配線は、箔又は膜として、基体の少なくとも上面に形成される。配線は、基体の内部及び／若しくは下面にも形成されていてもよい。パッド及び配線は、銅、鉄、ニッケル、タングステン、クロム、アルミニウム、銀、金、チタン、パラジウム、ロジウム、若しくはこれらの合金の単層又は多層で構成することができる。特に、放熱性の観点においては、パッド及び配線は、銅又は銅合金を含むことが好ましい。また、パッド及び配線の表層は、表面酸化が少なく半田接合性に優れる、金若しくは金合金で構成されることが好ましい。また、パッド及び配線の表層には、銀、白金、アルミニウム、ロジウム若しくはこれらの合金などの光反射膜が設けられていてもよく、なかでも光反射性に優れる銀若しくは銀合金が好ましい。

（半田層２０、半田ドット２５）
半田ドットは、金－錫系、錫－ビスマス系、錫－銅系、錫－銀系の半田のうちのいずれか１つを用いることができる。１つのパッド上に形成される半田ドットの数は、適宜選択できるが、例えば、３以上５０以下であることが好ましく、５以上２５以下であることがより好ましい。１つの半田ドットの径は、適宜選択できるが、例えば、５０μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましく、１００μｍ以上３００μｍ以下であることがより好ましい。１つの半田ドットの厚さは、適宜選択できるが、例えば、５μｍ以上１５０μｍ以下であることが好ましく、１５μｍ以上１００μｍ以下であることがより好ましい。半田層は、複数の半田ドットが、溶融して濡れ広がり、層状に一体化して固まることで形成される。このような方法によれば、半田の量を抑えて、半田層を比較的薄く形成することができる。

（仮止め剤２８）
仮止め剤は、半田ドットの溶融による半導体素子のパッドへの接合が開始されるまでの間、半導体素子を半田ドット上に保持しておく機能を有する。仮止め剤は、揮発性の有機化合物を用いることができる。仮止め剤は、常温で液状であることが扱いやすく好ましい。また、仮止め剤は、半田ドットが溶融する温度で揮発することが好ましい。具体的には、仮止め剤は、テルピネオール、オクタンジオール、酢酸ブチルカルビトール、トリエチレングリコールモノブチルエーテル、及びこれらの混合物のうちのいずれか１つを用いることができる。なお、仮止め剤は、半導体素子を半田ドット上に好ましい姿勢で載置するために使用されることが好ましいが、本実施の形態において必要不可欠なものではない。

（半導体素子３０）
半導体素子は、発光素子のほか、受光素子でもよいし、電子素子でもよい。発光素子としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）、半導体レーザなどが挙げられる。受光素子としては、フォトダイオード、太陽電池などが挙げられる。電子素子としては、トランジスタ、ＩＣ、ＬＳＩなどが挙げられる。半導体素子の上面視形状は、四角形、特に正方形又は一方向に長い矩形であることが好ましいが、その他の形状であってもよい。半導体素子は、同一面側に正／負の両電極を有する構造のものでもよいし、正電極と負電極が半導体素子の上面と下面に別個に設けられる対向電極（上下電極）構造のものでもよい。同一面側に正／負の両電極を有する構造の半導体素子は、下面に設けられた金属膜が半田層でパッドに接合され、正／負の各電極（上面電極）がワイヤで配線と接続される（フェイスアップ実装）。また、同一面側に正／負の両電極を有する構造の半導体素子は、正／負の各電極が半田層で２つのパッドに各々接合されてもよい（フェイスダウン実装、フリップチップ実装）。対向電極構造の半導体素子は、下面電極が半田層でパッドに接合され、上面電極がワイヤで配線（パッド以外の配線）と接続される。電極は、金、銀、錫、プラチナ、ロジウム、チタン、アルミニウム、タングステン、パラジウム、ニッケル、若しくはこれらの合金で構成することができる。

（ワイヤ４０）
ワイヤは、半導体素子の電極と、配線と、を接続する導線である。具体的には、金、銅、銀、プラチナ、アルミニウムなどの金属線、及びこれらの合金線のうちのいずれか１つを用いることができる。特に、封止部材からの応力による破断が生じにくく、熱抵抗などに優れる金線が好ましい。また、光反射性を高めるために、銀を含むことも好ましい。

（封止部材５０）
封止部材は、半導体素子、ワイヤなどを、封止して、外力、外気などから保護する部材である。封止部材は、電気的絶縁性を有することが好ましい。封止部材の具体的な母材としては、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、ポリノルボルネン樹脂、及びこれらの変性樹脂（ハイブリッド樹脂を含む）のうちのいずれか１つを用いることができる。また、封止部材は、これらの母材中に、酸化珪素（シリカ）などの充填剤、及び／若しくはカーボンブラックなどの着色剤を含有してもよい。

以下、本発明に係る実施例について詳述する。なお、本発明は以下に示す実施例のみに限定されないことは言うまでもない。

＜実施例１＞
実施例１の半導体装置は、図１Ａ，１Ｂに示す例の半導体装置１００の構造を有する、幅４．０ｍｍ、奥行き３．２ｍｍ、厚さ１．２ｍｍの直方体状の上面発光及び表面実装型のＬＥＤ装置である。配線基板は、幅４．０ｍｍ、奥行き３．２ｍｍであって、厚さ０．６ｍｍの平板状の窒化アルミニウムの基体と、基体の上面に保持された厚さ２０μｍのパッド及び上面配線と、基体の下面に保持された厚さ２０μｍの２つの下面配線と、を有している。パッド、上面配線、及び２つの下面配線は其々、チタン－タングステン／銅／ニッケル／金の積層体で構成されている。パッドと一方の下面配線、及び上面配線と他方の下面配線は其々、タングステンで満たされた貫通ビアによって接続されている。パッドは、幅２．６ｍｍ、奥行き２．６ｍｍの上面視正方形状の各辺中央に０．３ｍｍ角の切り欠きがあるパターンである。パッドの上面は、平坦である。半導体素子は、発光ピーク波長４５２ｎｍで青色発光可能な、幅２．０ｍｍ、奥行き２．０ｍｍ、厚さ０．３ｍｍの上面視正方形状のＬＥＤチップである。半導体素子は、シリコン基板と、基板の上面側に形成された窒化物半導体の発光素子構造と、を有している。半導体素子の下面電極は、基板の下面全域に形成された、厚さ０．５μｍの金の膜である。この下面電極は、配線基板のパッドに、厚さ４．５μｍの金－錫の半田層を介して接合されている。半導体素子の上面電極は、配線基板の上面配線にワイヤで接続されている。ワイヤは、線径２５μｍの金線である。封止部材は、配線基板の上面側の全域に亘って設けられ、半導体素子及びワイヤを封止している。封止部材は、シリカの充填剤を含有したフェニルシリコーン樹脂の硬化物である。

本実施例１の半導体装置は、以下のように製造される。
（第１工程）
まず、第１段階として、配線基板のバッドの上面に、金－錫（組成比：金８０％、錫２０％）の半田ドットを溶融半田吐出装置で吐出する。このとき、パッド上に形成される半田ドットは、１７個であって、其々、外径１６０μｍ、高さ８０μｍの半球状である。次に、第２段階として、これらの半田ドットをホットプレス装置（プレス温度２００℃）でプレスする。ホットプレス装置の上金型のプレス面は、段差を有している。プレス後の半田ドットの配置及び形状は、以下のとおりである。パッドの中心には、外径１８４μｍ、高さ４０μｍの半田ドットが配置されている。また、パッドの中心を通って０度、９０度、１８０度、２７０度方向に延びる各直線上における、パッドの中心との距離が３３０μｍの位置に外径１９７μｍ、高さ３５μｍの半田ドット、パッドの中心との距離が８１８μｍの位置に外径２３３μｍ、高さ２５μｍの半田ドットが配置されている。さらに、パッドの中心を通って４５度、１３５度、２２５度、３１５度方向に延びる各直線上における、パッドの中心との距離が５６５μｍの位置に外径２１３μｍ、高さ３０μｍの半田ドットが、パッドの中心との距離が１２１８μｍの位置に外径２６１μｍ、高さ２０μｍの半田ドットが配置されている。なお、プレス後の半田ドットは其々、側面が若干傾斜した、円柱状若しくは円盤状である。以上のようにして、配線基板の１つのパッド上に、パッドの中心に近いほど頂点の位置が高い複数の半田ドットを形成される。
（第２工程）
プレス後の半田ドットを有するパッドの上面に、オクタンジオールの仮止め剤をディスペンサで塗布して、その上に半導体素子をダイボンド装置で載置する。このとき、半導体素子は、複数の半田ドットの全数を覆うように、且つ、複数の半田ドットのうち、パッドの中心に配置された半田ドットの頂点に対して、距離が最小となる状態に、載置される。そして、複数の半田ドットを蟻酸還元リフロー装置（最高温度３１０℃）で溶融させる。なお、このとき、仮止め剤は、炉内温度の上昇に伴って徐々に揮発し、半田ドットが溶融を開始するまでに、完全に消失する。
（第３工程）
ワイヤボンド装置により、半導体素子の上面電極と配線基板の上面配線をワイヤで接続する。最後に、封止部材の液状材料を、半導体素子及びワイヤを覆って配線基板の上面側の全域に塗布し、熱処理にて硬化させる。

以上のように構成された実施例１の半導体装置の製造方法は、実施の形態１の半導体装置１００の製造方法と同様の効果を奏することができる。

本発明の一実施の形態に係る半導体装置は、半導体素子が発光素子又は受光素子である場合には、液晶ディスプレイのバックライト光源、各種照明器具、大型ディスプレイ、広告、行き先案内等の各種表示装置、プロジェクタ装置、さらには、デジタルビデオカメラ、ファクシミリ、コピー機、スキャナ等における画像読取装置、各種センサなどに利用することができる。また、本発明の一実施の形態に係る半導体装置は、半導体素子が電子素子である場合には、パソコンなどの各種電子計算機及びそれらに搭載される回路基板などに利用することができる。

１０配線基板
１１基体
１５パッド
１６パッド以外の配線
２０半田層
２５，２５１，２５２，２５３半田ドット
２８仮止め剤
３０半導体素子
４０ワイヤ
５０封止部材
１００半導体装置

Claims

配線基板の１つのパッド上に、前記パッドの中心に近いほど頂点の位置が高い複数の半田ドットを形成する第１工程と、
半導体素子を前記複数の半田ドットの全数を覆うように載置して、前記複数の半田ドットを溶融させて半田層を形成する第２工程と、を備え、
前記半田ドットの径は、前記パッドの中心から遠い前記半田ドットほど大きい、半導体装置の製造方法。
頂点の位置が最も高い前記半田ドットは、前記パッドの中心に配置される、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
頂点の位置が同等の高さとなる前記半田ドットが、前記パッドの中心に対して対称に配置される、請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
前記半田ドットは、前記パッドの中心を通る１つ以上の直線上に並置され、
同一直線上に並置された隣り合う前記半田ドットの中心間距離は、前記パッドの中心から遠いほど大きい、請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
前記第２工程において、前記半導体素子は、前記複数の半田ドットのうち、前記頂点の位置が最も高い半田ドットの頂点に対して、距離が最小となる状態に載置される、請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
前記第１工程は、頂点の位置が同等の高さの複数の半田ドットを前記パッド上に形成する段階と、前記頂点の位置が同等の高さの複数の半田ドットをプレスすることによって、前記パッドの中心に近いほど頂点の位置が高い複数の半田ドットを形成する段階と、を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
前記第２工程において、前記複数の半田ドットをフラックスレスリフローによって溶融させる、請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
配線基板の１つのパッド上に、前記パッドの中心に近いほど頂点の位置が高い複数の半田ドットを形成する第１工程と、
半導体素子を前記複数の半田ドットの全数を覆うように載置して、前記複数の半田ドットを溶融させて半田層を形成する第２工程と、を備え、
前記半田ドットは、前記パッドの中心を通る１つ以上の直線上に並置され、
同一直線上に並置された隣り合う前記半田ドットの中心間距離は、前記パッドの中心から遠いほど大きい、半導体装置の製造方法。