WO2020021760A1 - 半導体装置の製造方法および半導体装置ならびに半田シートおよびその製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法および半導体装置ならびに半田シートおよびその製造方法 Download PDF

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WO2020021760A1
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semiconductor device
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solder sheet
sheet
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哲也 中塚
靖 池田
高彰 宮崎
諭一朗 坂野
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株式会社日立パワーデバイス
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    • H01L2924/181—Encapsulation

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, a semiconductor device, and a solder sheet, and a method for manufacturing the same. About the method.
  • Patent Literature 1 discloses that when the sheet solder 3 is corrected to a downwardly convex R shape by the correction mold 20 and the sheet solder 3 is mounted on the substrate by the suction tool 31. A technique has been disclosed in which the center of the sheet solder 3 is brought into contact with the substrate, so that when the solder is melted, the sheet solder 3 is softened from the center to the outside and flattened.
  • the inventor of the present application is studying a power module using a high-output semiconductor or the like.
  • the power module mounts a chip on which an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) is formed and a chip on which a diode is formed on a ceramic substrate, and attaches the chip to a heat dissipation plate called a base substrate by an adhesive layer made of solder. Connected through.
  • a base substrate for example, a pair of an IGBT and a diode is mounted and external terminals are connected, so that the area of the ceramic substrate is increased.
  • the area of the adhesive layer (solder connection portion) has been increased in order to improve the heat radiation from the ceramic substrate to the base substrate.
  • the heat radiation of the solder connection affects the voltage and current of the IGBT, the heat radiation greatly affects the performance of the product. That is, in the power module, it is necessary to improve the heat radiation of the large-area solder connection.
  • the inventor of the present application prepares a second laminated body in which a first laminated body in which an IGBT chip and a diode chip are bonded to a surface of a ceramic substrate is mounted on a base substrate via a solder sheet; After being placed in a vacuum chamber, a solder connection method including a step of preheating the second laminate in a reducing atmosphere using formic acid and a main heating step of heating and melting the solder material of the solder sheet was performed.
  • the V-shaped (or U-shaped) solder sheet described in the prior art document was used.
  • the preheating step is a step of removing the surface oxide film of the metal layer formed on the solder sheet and the joined body (the ceramic substrate and the base substrate).
  • the main heating step is to solidify after melting the solder material of the solder sheet. This is the step of performing However, with the above method, it was not possible to realize a solder connection with low thermal resistance (high heat dissipation). According to the analysis of the inventor of the present application, at the stage of preparing the second laminated body, the V-shaped solder sheet is flattened by the weight of the first laminated body, and the solder sheet and the member to be joined are in close contact with each other. It was found that the solder sheet and the surface oxide film of the object to be joined could not be sufficiently removed in the process, and poor wetting of the solder occurred.
  • the present invention is to improve the heat dissipation of a semiconductor device.
  • a method for manufacturing a semiconductor device includes a step of preparing a second laminate in which a first laminate is mounted on a base substrate via a solder sheet, placing the second laminate in a chamber, and placing the second laminate in a chamber.
  • the solder sheet includes a first concave portion on the ceramic substrate side and a second concave portion on the base substrate side.
  • the solder sheet contacts metal layers formed on the ceramic substrate at both ends of the first concave portion.
  • the two ends of the second recess are in contact with the metal layer formed on the base substrate at both ends, and the first recess and the second recess extend continuously inside the solder sheet in plan view. Has reached the outside.
  • heat dissipation of a semiconductor device can be improved.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the semiconductor device according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a manufacturing process flowchart showing a part of the method for manufacturing the semiconductor device of the present embodiment. It is a perspective view in the manufacturing process of the solder sheet of a present Example.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the solder sheet during a manufacturing step following that of FIG. 3;
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the solder sheet during a manufacturing step following that of FIG. 4;
  • FIG. 3 is a perspective view of a solder sheet according to the present embodiment.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view along X1-X1 in FIG. FIG.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the semiconductor device of the present embodiment during a manufacturing step thereof;
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following that of FIG. 8;
  • FIG. 10 is a sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following that of FIG. 9;
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following that of FIG. 10;
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following that of FIG. 11;
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following that of FIG. 12;
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following that of FIG. 13;
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following that of FIG. 13;
  • FIG. 15 is an enlarged sectional view of a main part of FIG. 14. It is a top view of the adhesion layer of FIG.
  • FIG. 11 is an enlarged sectional view of a main part of a semiconductor device as a comparative example.
  • FIG. 9 is a perspective view of a solder sheet according to a first modification.
  • FIG. 19 is a cross-sectional view along X2-X2 in FIG.
  • FIG. 13 is a perspective view of a solder sheet according to a second modification.
  • FIG. 21 is a cross-sectional view along X3-X3 in FIG. 20.
  • Electric power conversion devices inverters, converters, choppers
  • motors are mounted on electric railway vehicles and electric vehicles, and power modules are used as power conversion devices.
  • the power module converts DC power into AC power by switching a power semiconductor element such as an IGBT.
  • an IGBT that is a switching element and a diode are connected in parallel (this set is called an arm) and used.
  • the arm connected to the pair of arms between the positive terminal and the AC terminal is referred to as an upper arm, and the one connected between the AC terminal and the negative terminal is referred to as a lower arm.
  • a set of AC power can be output by combining the upper arm and the lower arm. Therefore, in order to generate three-phase alternating current, three sets of upper and lower arms (total 6 arms) Is required.
  • the semiconductor device SD of the present embodiment is, for example, the above-described power module for driving a motor.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of the semiconductor device SD of the present embodiment. Since each of the six arms has the same structure, FIG. 1 shows one arm.
  • the semiconductor device SD includes a chip (IGBT) 1, a chip (diode) 2, a ceramic substrate 3, a base substrate 6, an external terminal 8, and a sealing body 9.
  • the chip 1 has a power semiconductor element such as IGBT formed on a substrate made of silicon (Si) or silicon carbide (SiC).
  • the chip 2 has a substrate made of silicon (Si) or silicon carbide (SiC). A diode element is formed.
  • the ceramic substrate 3 has a substrate 3a, a front surface (first surface) 3t of the substrate 3a, and a back surface (second surface) 3b located on the opposite side of the front surface 3t.
  • the wiring 3c is formed, and the surface of the wiring 3c is covered with a plating layer (metal layer) 3d. Note that the wiring 3c and the plating layer 3d may be collectively called a wiring.
  • the substrate 3a can be made of, for example, aluminum nitride (AlN) or silicon nitride (Si 3 N 4 ) having high thermal conductivity, or alumina (Al 2 O 3 ) having high versatility.
  • the wiring 3c can be, for example, a copper (Cu) film
  • the plating layer 3d can be, for example, a nickel (Ni) film.
  • the chip 1 and the chip 2 are bonded to the plating layer 3d on the ceramic substrate 3 via the bonding layer 4, and are electrically connected to the wiring 3c and the plating layer 3d.
  • the chip 1 and the chip 2 are connected to each other via a wire 5 and are connected to the wiring 3c via the wire 5.
  • an external terminal 8 is connected to the wiring 3c and the plating layer 3d. That is, the chips 1 and 2 are electrically connected to the external terminals 8.
  • the wire 5 is made of, for example, a copper (Cu) wire or an aluminum (Al) wire.
  • the base substrate 6 includes a substrate 6a, a front surface (first surface) 6t of the substrate 6a, a back surface (second surface) 6b located on the side opposite to the front surface 6t, and plating formed on the front surface 6t and the back surface 6b.
  • the substrate 6a is made of, for example, a composite material (AlSiC) of silicon carbide (SiC) having a high thermal conductivity and an aluminum (Al) alloy, copper (Cu), or an aluminum (Al) alloy, and has a plating layer 6c. Is made of, for example, a nickel (Ni) film.
  • the wiring 3c and the plating layer 3d formed on the back surface 3b of the ceramic substrate 3 are connected to the plating layer 6c formed on the front surface 6t of the base substrate 6 via the adhesive layer 7.
  • the adhesive layers 4 and 7 are solder materials, for example, a Sn (Pb) solder material containing lead (Pb), or a solder material made of a so-called lead-free solder substantially containing no Pb.
  • the lead-free solder include tin-copper-silver (Sn-Cu-Ag), tin-copper (Sn-Cu), tin-antimony (Sn-Sb), or tin-copper-antimony (Sn-Cu). —Sb) and the like.
  • the chip 1, the chip 2, the ceramic substrate 3, the wires 5, the adhesive layer 4, the adhesive layer 7, and the external terminals 8 are covered with a sealing body 9.
  • the sealing body 9 is made of, for example, silicone gel. Although not shown, the external terminals are exposed outside the sealing body 9.
  • FIG. 2 is a manufacturing process flow chart showing a part of the method of manufacturing the semiconductor device of the present embodiment.
  • FIG. 3 is a perspective view showing the manufacturing process of the solder sheet of the present embodiment.
  • FIGS. 6 is a perspective view of the solder sheet of the present embodiment, and
  • FIG. 7 is a cross-sectional view along X1-X1 in FIG. 8 to 14 are cross-sectional views of the semiconductor device during the manufacturing process.
  • either of the solder sheet 17 preparing step S1 and the first laminate 18 preparing step may be performed first.
  • 9 to 11 show two arm regions on the base substrate 6.
  • FIG. 12 shows the preheating step
  • FIGS. 13 and 14 show the main heating step, but shows the second laminated body 21 for one arm, and omits a heating device such as a chamber. .
  • solder sheet 17 preparing step S1 shown in FIG. 2 will be described.
  • a solder ingot 10 having a thickness of, for example, 2 mm is rolled to a thickness of, for example, 0.2 mm by a pair of rolling rolls 11 to form a rolled solder 12.
  • fine irregularities called rolled eyes 12a are formed.
  • a rectangular pre-press solder sheet 15 is formed using the die 13 and the punch 14.
  • the pre-press solder sheet 15 is, for example, 47 ⁇ 57 mm.
  • the pre-press solder sheet 15 is sandwiched between a pair of dies 16 and subjected to compression processing into a desired shape to form a solder sheet 17.
  • the solder sheet 17 has a W-shaped cross section. As shown in FIG. 6, the solder sheet 17 has a front surface (first surface) 17t and a back surface (second surface) 17b located on the opposite side of the front surface 17t.
  • the surface 17t has two sides 17x1 and 17x2 extending in the X direction and two sides 17y1 and 17y2 extending in the Y direction.
  • the front surface 17t has concave portions C1 and C2
  • the back surface 17b has concave portions C3, and the concave portions C1 to C3 extend continuously in the Y direction inside the solder sheet 17, and have the sides 17x1 and At 17 ⁇ 2, it reaches the outside of the solder sheet 17.
  • the front surface 17t and the back surface 17b of the solder sheet 17 have flat surfaces by the compression processing shown in FIG. That is, the roll 12a # formed by the rolling process shown in FIG. 3 is crushed by the compression process shown in FIG. 5, and the surface areas of the front surface 17t and the back surface 17b are the same as those of the pre-press solder sheet 15 shown in FIG. And it is smaller than the surface area of the back surface.
  • a suction portion 17a having a flat surface is provided.
  • the solder sheet 17 has three ridges 17m and two valleys 17v, and has a straight portion 17s between the ridges 17m and the valleys 17v.
  • the peaks 17m and the valleys 17v are regions in which plastic deformation has been performed from a straight line into an arc shape by the compression processing, but the straight line portions 17s are not plastically deformed. Therefore, the peak portion 17m and the valley portion 17v have higher hardness than the straight portion 17s due to work hardening. Further, the film thickness of the peak portion 17m and the valley portion 17v is larger than the film thickness of the linear portion 17s. Also, since the three peaks 17m are set at the same height, they contact the virtual plane VS1.
  • the two valleys 17v are also set to the same height, they contact the virtual plane VS2.
  • the virtual plane VS1 corresponds to a plating layer 3d of the ceramic substrate 3 shown in FIG. 10 described later
  • the virtual plane VS2 corresponds to the plating layer 6c of the base substrate 6 (the plating layers 3d and 6c are Shown in FIG. 1).
  • a first laminate 18 preparing step shown in FIG. 2 is performed. Specifically, there are a step S2 for mounting the chips 1 and 2 on the ceramic substrate 3 and a wire bonding step S3. As shown in FIG. 8, the chips 1 and 2 are mounted on the ceramic substrate 3 and bonded to the wiring 3c via the bonding layer 4. Next, the wires 5 electrically connect between the chip 1 and the chip 2, between the wiring 3c and the chip 1, and between the wiring 3c and the chip 2, respectively.
  • the second laminate 21 preparing step S4 shown in FIG. 2 is performed.
  • the solder sheets 17 are sequentially placed on a plurality of regions surrounded by the guides 19 on the base substrate 6.
  • the solder sheet 17 has a flat suction portion 17a, and the suction portion 17a is vacuum-sucked by the suction jig 20, and the solder sheet 17 is placed on the base substrate 6.
  • the guide 19 positions the formation area of each arm.
  • the first stacked body 18 is sequentially placed on the solder sheet 17, and the plurality of first stacked bodies 18 are placed on the base substrate 6 via the solder sheet 17.
  • a two-layered body 21 is prepared.
  • the concave portions C1 to C3 shown in FIGS. 6 and 7 are secured without being crushed.
  • the concave portions C1 to C3 are secured without being crushed until a preheating step S6 described later is completed.
  • Sn-10% Sb having a melting point of about 250 ° C. is used as the solder material of the solder sheet 17.
  • a step S5 of setting the second stacked body 21 in the chamber 22 shown in FIG. 2 is performed.
  • the second laminate 21 is set inside the chamber 22 of the heat treatment apparatus for solder connection.
  • a preheating step S6 and a main heating step S7 which will be described later, are performed.
  • the heat treatment apparatus includes a chamber 22, a heating mechanism 23, a gas introduction mechanism 24, and an exhaust mechanism 25.
  • the pressure in the chamber 22 is reduced to, for example, about 300 Pa, and then, for example, nitrogen (N 2 ) is supplied in the chamber 22. Then, the inside of the chamber 22 is returned to the atmospheric pressure. Thus, the inside of the chamber 22 is set to a pure nitrogen (N 2 ) atmosphere.
  • a preheating step S6 shown in FIG. 2 is performed.
  • the second laminate 21 is heated while supplying a mixed gas of formic acid and nitrogen (N 2 ) into the chamber 22.
  • the heating temperature is 200 ° C. lower than the melting point of the solder material of the solder sheet 17, and the heating time is about 10 minutes.
  • the surface oxide film of the solder sheet 17 and the surface oxide films of the plating layers 3d and 6c are removed by utilizing the reduction reaction of formic acid. It is known that formic acid efficiently causes a reduction reaction at about 150 ° C. or higher.
  • the solder sheet 17 is in contact with the plating layer 3d formed on the surface of the wiring 3c of the ceramic substrate 3 at the three peaks 17m, and at the two valleys 17v. Is in contact with the plating layer 6c formed on the surface of.
  • Two concave portions C1 and C2 are provided on the front surface 17t of the solder sheet 17, and a concave portion C3 is provided on the back surface 17b of the solder sheet 17. Then, as shown in FIGS. 6 and 7, the concave portions C1 to C3 extend continuously inside the solder sheet 17 and reach the outside of the solder sheet 17 in plan view.
  • solder sheet 17 is in contact with the plating layer 3d of the ceramic substrate 3 at a plurality of peaks 17m and in contact with the plating layer 6c of the base substrate 6 at a plurality of valleys 17v in cross-sectional view, the first The first laminate 18 can be supported without the concave portions C1 to C3 being crushed by the weight of the laminate 18.
  • FIG. 13 shows a state when the melting of the solder material of the solder sheet 17 is started
  • FIG. 14 shows a state after the melting of the solder material and when the solder material is solidified.
  • the reaction layer 26 a is formed of a tin-nickel alloy (Sn—Ni alloy) of tin (Sn) contained in the solder material of the solder sheet 17 and nickel (Ni) contained in the plating layer 3 d, or a solder material of the solder sheet 17. It is a tin-copper alloy (Sn-Cu alloy) of tin (Sn) contained therein and copper (Cu) contained in the wiring 3c.
  • the reaction layer 26b is a tin-nickel alloy (Sn-Ni alloy) of tin (Sn) contained in the solder material of the solder sheet 17 and nickel (Ni) contained in the plating layer 6c.
  • the first laminate 18 descends to the base substrate 6 side, and as shown in FIG. Interval becomes narrower.
  • the pressure inside the chamber 22 (see FIG. 11) is reduced to, for example, about 300 Pa to remove voids remaining in the molten solder layer.
  • nitrogen (N 2 ) is introduced into the chamber 22 (see FIG. 11) to solidify the molten solder layer.
  • the first laminate 18 is bonded to the base substrate 6 with the bonding layer 7 made of a solder layer.
  • reaction layer 26a 'and 26b' are formed by growing the above-described reaction layers 26a and 26b, and the thickness of the reaction layers 26a 'and 26b' is larger than the thickness of the reaction layers 26a and 26b.
  • the removal step S8 of the second laminate 21 shown in FIG. 2, the external terminal 8 connection step S9, and the sealing body 9 formation step S10 are performed.
  • the cooled second laminate 21 is taken out of the chamber 22 (see FIG. 11), and the external terminals 8 are connected to the wiring 3c and the plating layer 3d formed on the ceramic substrate 3 as shown in FIG. Connect to Next, on the surface 6t side of the base substrate 6, the chip 1, the chip 2, the ceramic substrate 3, the wires 5, the adhesive layer 4, the adhesive layer 7, and the external terminals 8 are covered with a sealing body 9, and the semiconductor device shown in FIG. SD is completed.
  • FIG. 15 is an enlarged cross-sectional view of a main part in FIG.
  • FIG. 16 is a plan view of the bonding layer 7 of FIG. 15, and
  • FIG. 17 is an enlarged sectional view of a main part of a semiconductor device as a comparative example.
  • the ceramic substrate 3 and the base substrate 6 are bonded by an adhesive layer 7 made of a solder layer.
  • a relatively thick reaction layer 26a 'and a relatively thin reaction layer 26c are formed at the interface between the adhesive layer 7 and the plating layer 3d of the ceramic substrate 3.
  • the reaction layer 26c is formed in a region between the plurality of reaction layers 26a '.
  • a relatively thick reaction layer 26b 'and a relatively thin reaction layer 26d are formed at the interface between the adhesive layer 7 and the plating layer 6c of the base substrate 6, a relatively thick reaction layer 26b 'and a relatively thin reaction layer 26d are formed.
  • the reaction layer 26d is formed in a region between the plurality of reaction layers 26b '.
  • the relatively thick reaction layers 26a 'and 26b' have a thickness of about 50 ⁇ m
  • the relatively thin reaction layers 26c and 26d have a thickness of about 20 ⁇ m.
  • the adhesive layer 7 made of a solder layer is rectangular and has two sides 7x1 and 7x2 extending in the X direction and sides 7y1 and 7y2 extending in the Y direction. .
  • the region where the reaction layer 26a 'is formed is referred to as a region A
  • the region where the reaction layer 26b' is formed is referred to as a region B
  • the region between the region A and the region B is referred to as a region C.
  • the regions A, B and C extend continuously in the Y direction from the side 7x1 extending in the X direction to the side 7x2. Focusing on the interface between the adhesive layer 7 and the plating layer 3d shown in FIG.
  • reaction layer 26a ' is formed in the region A shown in FIG. 16, and the reaction layer 26c is formed in the regions B and C.
  • the areas B and C have larger areas than the area A.
  • reaction layer 26b ' is formed in the region B shown in FIG. 16, and the reaction layer 26d is formed in the regions A and C. .
  • the areas A and C are larger than the area B.
  • the formation region of the relatively thick reaction layers 26a 'and 26b' is the region where the solder sheet 17 and the plating layers 3d and 6c are in contact, and the relatively thin reaction layers 26c and 26b '
  • the formation region of 26d is a region where the solder sheet 17 and the plating layers 3d and 6c are out of contact with each other.
  • FIG. 17 is an enlarged cross-sectional view of a main part of a semiconductor device as a comparative example, and corresponds to FIG. FIG. 17 shows an example using a V-shaped solder sheet disclosed in the prior art document.
  • a V-shaped solder sheet is used, the solder sheet is crushed and flattened by the weight of the first stacked body in the second stacked body preparing step S4 of the above embodiment. Then, in a state where the solder sheet and the plating layer 3d or 6c to be joined are in close contact with each other, the preheating step S6 is performed, but formic acid is sufficiently penetrated into the interface between the solder sheet and the plating layer 3d or 6c.
  • the thick reaction layers 26e and 26f are formed in almost the entire area of the interface, the mechanical strength of the adhesive layer 7 is reduced, and the life is shortened due to cracks generated by the stress applied to the adhesive layer 7. Probability is high. In particular, if the product is continued to be used, the reaction layers 26e and 26f gradually grow and increase in thickness, and conversely, the thickness of the solder layer of the adhesive layer 7 decreases, so that cracks are more likely to occur. . Therefore, the product life is shorter than in this embodiment.
  • the solder sheet 17 has concave portions C1 to C3 on the front surface 17t and the rear surface 17b, and the concave portions C1 to C3 continuously extend inside the solder sheet 17 in plan view. 17, the formic acid can penetrate into the concave portions C1 to C3. Since the surface oxide film formed on each of the solder sheet 17, the plating layer 3d on the ceramic substrate 3 side, and the plating layer 6c on the base substrate 6 side can be removed, wetting of the solder material of the solder sheet 17 can be achieved. The heat resistance of the adhesive layer 7 made of a solder layer can be reduced. That is, a semiconductor device (power module) with high heat dissipation can be provided.
  • the pressure inside the chamber 22 is reduced, so that residual voids can be reduced, and the thermal resistance of the adhesive layer 7 made of a solder layer can be reduced. Can be.
  • a relatively thick reaction layer 26a 'and a relatively thin reaction layer 26c are formed at the interface between the adhesive layer 7 and the plating layer 3d on the ceramic substrate 3 side.
  • the mechanical strength of the adhesive layer 7 can be improved as compared with the comparative example in which a relatively thick reaction layer 26e is formed entirely on the interface between the adhesive layer 7 and the plating layer 3d on the ceramic substrate 3 side. Cracks caused by stress applied to the layer 7 can be prevented. Further, the product life of the semiconductor device can be extended. The same applies to the interface between the adhesive layer 7 and the plating layer 6c of the base substrate 6.
  • the solder sheet 17 has a recess C1 on the front surface 17t and a recess C3 on the back surface 17b. Then, as shown in FIG. 12, the solder sheet 17 comes into contact with the plating layer 3d of the ceramic substrate 3 at the peaks 17m located at both ends of the concave portion C1 and the valleys located at both ends of the concave portion C3 in cross-sectional view. Since the portion 17v is in contact with the plating layer 6c of the base substrate 6, the first laminate 18 can be supported without the concave portions C1 and C3 being crushed by the weight of the first laminate 18.
  • the solder sheet 17 has a W-shape, and the peaks 17m and the valleys 17v plastically deformed in an arc shape have increased in hardness due to work hardening. The strength in the direction has been improved. Therefore, even when the first laminate 18 is placed on the solder sheet 17, the first laminate 18 can be supported without the concave portions C1 and C3 being crushed by the weight of the first laminate 18.
  • FIG. 18 is a perspective view of a solder sheet according to Modification Example 1, and FIG. 19 is a cross-sectional view along X2-X2 in FIG.
  • the solder sheet 27 of the first modification has an N-shape in a cross-sectional view.
  • the solder sheet 27 has a front surface (first surface) 27t and a back surface (second surface) 27b opposite to the front surface 27t.
  • the surface 27t has two sides 27x1 and 27x2 extending in the X direction and two sides 27y1 and 27y2 extending in the Y direction.
  • the front surface 27t has a concave portion C4, the back surface 27b has a concave portion C5, and the concave portions C4 and C5 extend continuously in the Y direction inside the solder sheet 27, and extend along the sides 27x1 and 27x2. It reaches the outside of the solder sheet 27.
  • the solder sheet 27 has two ridges 27m and two valleys 27v, and has a linear portion 27s between the ridges 27m and the valleys 27v.
  • the peaks 27m and the valleys 27v are regions where plastic deformation has been performed from a straight line into an arc by the above-described compression processing, but the linear portion 27s is not plastically deformed. Therefore, the peaks 27m and the valleys 27v have a higher hardness than the linear portions 27s due to work hardening. Since the two peaks 27m are set at the same height, they contact the virtual plane VS1. Similarly, since the two valleys 27v are also set to the same height, they contact the virtual plane VS2.
  • the virtual plane VS1 corresponds to the plating layer 3d of the ceramic substrate 3 shown in FIG. 10, and the virtual plane VS2 corresponds to the plating layer 6c of the base substrate 6 (the plating layers 3d and 6c correspond to FIG. Shown).
  • solder sheet 17 is replaced with a solder sheet 27.
  • the solder sheet 27 has a recess C4 on the front surface 27t and a recess C5 on the back surface 27b. Then, the solder sheet 27 contacts the plating layer 3d of the ceramic substrate 3 at the ridges 27m located at both ends of the concave portion C4 and the valley portions 27v located at both ends of the concave portion C5. Since the first laminate 18 is in contact with the plating layer 6c, the first laminate 18 can be supported without the concave portions C4 and C5 being crushed by the weight of the first laminate 18. Therefore, according to the solder sheet 27 of the first modification, the same effect as that of the above embodiment can be achieved.
  • FIG. 20 is a perspective view of a solder sheet according to Modification Example 2, and FIG. 19 is a cross-sectional view along X2-X2 in FIG.
  • the solder sheet 28 of Modification 2 has the W-shaped cross-sectional structure of the above embodiment in the X direction and the Y direction.
  • the solder sheet 28 has a front surface (first surface) 28t and a back surface (second surface) 28b located on the opposite side of the front surface 28t.
  • the surface 28t has two sides 28x1 and 28x2 extending in the X direction and two sides 28y1 and 28y2 extending in the Y direction.
  • the front surface 28t has concave portions C6 to C9
  • the rear surface 28b # has a concave portion C10
  • the concave portion C6 is formed inside the solder sheet 28 and reaches the outside of the solder sheet 28 at sides 28x1 and 28y1. I have.
  • the recess C7 is formed inside the solder sheet 28 and reaches the outside of the solder sheet 28 at sides 28x1 and 28y2, and the recess C8 is formed inside the solder sheet 28 and the solder sheet 28 at the sides 28x2 and 28y1.
  • the concave portion C9 is formed inside the solder sheet 28 and reaches the outside of the solder sheet 28 at sides 28x2 and 28y2.
  • the concave portion C10 extends continuously in the X direction and the Y direction inside the solder sheet 28, and reaches the outside of the solder sheet 28 at sides 28x1, 28x2, 28y1, and 28y2.
  • the present invention is not limited to the embodiments described above, but includes various modifications.
  • the above-described embodiments have been described in detail in order to easily explain the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described above.
  • a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of one embodiment can be added to the configuration of another embodiment.
  • formic acid is used as the reducing gas, but hydrogen may be used.

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Abstract

半導体装置の製造方法は、半田シートを介して第１積層体をベース基板上に搭載した第２積層体を準備する工程、第２積層体をチャンバー内に設置し、チャンバー内に還元ガスを流入しながら、第２積層体を、半田シートの半田の融点以下の温度で予備加熱する工程、第２積層体を、半田シートの半田の融点以上の温度で本加熱する工程、を含む。半田シートは、セラミック基板側に凹部（Ｃ１）、および、ベース基板側に凹部（Ｃ３）を含み、予備加熱工程で、半田シートは、凹部（Ｃ１）の両端でメッキ層に接触しており、凹部（Ｃ３）の両端でメッキ層に接触している。そして、平面視において、凹部（Ｃ１）および凹部（Ｃ３）は、半田シートの内部に連続して延在し、半田シートの外部に達している。

Description

半導体装置の製造方法および半導体装置ならびに半田シートおよびその製造方法
　本発明は、半導体装置の製造方法および半導体装置ならびに半田シートおよびその製造方法に関し、特に、ＩＧＢＴおよびダイオードを搭載したパワーモジュールの製造方法およびパワーモジュールならびにパワーモジュールの製造方法に用いる半田シートおよびその製造方法に関する。
　特開２０１０－５１９９４号公報（特許文献１）には、矯正型２０によりシートはんだ３を下向きに凸であるＲ形状に矯正して、吸着ツール３１によりシートはんだ３を基板上に載置した時に、シートはんだ３の中央が基板に接するようにし、それにより、はんだ溶融時に、シートはんだ３を中央から外側へ向けて軟化させて平坦にする技術が開示されている。
特開２０１０－５１９９４号公報
　本願発明者は、高出力半導体等を使用したパワーモジュールを検討している。パワーモジュールは、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）が形成されたチップおよびダイオードが形成されたチップをセラミック基板上に搭載し、それをベース基板と称する放熱板に半田からなる接着層を介して接続している。ベース基板上には、例えば、ＩＧＢＴとダイオードのペアが搭載され、外部端子が接続されているため、セラミック基板の面積が大型化している。そして、セラミック基板からベース基板への放熱性を向上させるために接着層（半田接続部）の面積が大型化している。パワーモジュールでは、半田接続部の放熱性がＩＧＢＴの電圧や電流の大きさに影響するため、この放熱性が製品の性能に大きく係わってくる。つまり、パワーモジュールでは、大面積の半田接続部の放熱性を向上させる必要がある。
　放熱性向上のためには、半田接続部の残留ボイドや濡れ不良を防止する必要があり、一般的にはフラックスを使用することで、ある程度、残留ボイドや濡れ不良を防止することができる。しかしながら、パワーモジュールのような大面積の半田接続の場合、フラックスの使用は、残留ボイドや残渣発生の原因となるため、ギ酸のような還元性雰囲気を使用したフラックスレスの半田接続を検討した。
　本願発明者は、セラミック基板の表面にＩＧＢＴチップおよびダイオードチップを接着した第１積層体を、半田シートを介してベース基板上に載置した第２積層体を準備する工程、この第２積層体を真空チャンバー内に配置した後、ギ酸を用いた還元性雰囲気で第２積層体を予備加熱する工程、半田シートの半田材を加熱溶融する本加熱工程を含む半田接続方法を実施した。ここで半田シートは、先行技術文献に示されたＶ字形状（またはＵ字形状）のものを使用した。予備加熱工程は、半田シートおよび被接合体（セラミック基板およびベース基板）に形成された金属層の表面酸化膜を除去する工程であり、本加熱工程は、半田シートの半田材を溶融した後に凝固する工程である。しかしながら、上記の方法では、低熱抵抗（高放熱性）の半田接続を実現することができなかった。本願発明者の解析により、第２積層体を準備した段階で、第１積層体の自重でＶ字形状の半田シートが平坦化してしまい、半田シートと被接合体とが密着するため、予備加熱工程で半田シートおよび被接合体の表面酸化膜を充分に除去できず、半田の濡れ不良が発生したことが判明した。
　そこで、本発明は、半導体装置の放熱性を向上させるものである。
　一実施例の半導体装置の製造方法は、半田シートを介して第１積層体をベース基板上に搭載した第２積層体を準備する工程、第２積層体をチャンバー内に設置し、チャンバー内に還元ガスを流入しながら、第２積層体を、半田シートの半田材の融点以下の温度で予備加熱する工程、第２積層体を、半田シートの半田材の融点以上の温度で本加熱する工程、を有する。半田シートは、セラミック基板側に第１凹部、および、ベース基板側に第２凹部を含み、予備加熱工程で、半田シートは、第１凹部の両端でセラミック基板に形成された金属層に接触しており、第２凹部の両端でベース基板に形成された金属層に接触しており、第１凹部および第２凹部は、平面視において、半田シートの内部に連続して延在し、半田シートの外部に達している。
　本発明の一側面によれば、半導体装置の放熱性を向上させることができる。
　上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。
本実施例の半導体装置の断面図である。 本実施例の半導体装置の製造方法の一部を示す製造工程フロー図である。 本実施例の半田シートの製造工程中の斜視図である。 図３に続く半田シートの製造工程中の断面図である。 図４に続く半田シートの製造工程中の断面図である。 本実施例の半田シートの斜視図である。 図６のＸ１－Ｘ１に沿う断面図である。 本実施例の半導体装置の製造工程中の断面図である。 図８に続く半導体装置の製造工程中の断面図である。 図９に続く半導体装置の製造工程中の断面図である。 図１０に続く半導体装置の製造工程中の断面図である。 図１１に続く半導体装置の製造工程中の断面図である。 図１２に続く半導体装置の製造工程中の断面図である。 図１３に続く半導体装置の製造工程中の断面図である。 図１４の要部拡大断面図である。 図１５の接着層の平面図である。 比較例である半導体装置の要部拡大断面図である。 変形例１である半田シートの斜視図である。 図１８のＸ２－Ｘ２に沿う断面図である。 変形例２である半田シートの斜視図である。 図２０のＸ３－Ｘ３に沿う断面図である。
　電鉄車両および電気自動車などには電力変換装置（インバータ、コンバータ、チョッパー）やモータが搭載されており、電力変換装置にはパワーモジュールが用いられている。パワーモジュールは、ＩＧＢＴ等のパワー半導体素子をスイッチングすることにより直流電力を交流電力に変換するものである。
　パワーモジュールでは、スイッチング素子であるＩＧＢＴとダイオードとを並列接続（この一組をアームと呼ぶ）して使用する。この一組のアームを正極端子と交流端子との間に接続したものを上アーム、交流端子と負極端子との間に接続したものを下アームと称する。上アームと下アームを組み合わせることによって一組の交流電力を出力することができる。したがって、三相交流を発生させるためには３組の上下アーム（合計６アーム）
が必要となる。
　以下、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。
　＜半導体装置の構造＞
　本実施例の半導体装置ＳＤは、例えば、上記のモータ駆動用のパワーモジュールである。図１は、本実施例の半導体装置ＳＤの断面図であるが、上記６アームの各々は同様の構造を有するため、図１では１アーム分を示している。
　図１に示すように、半導体装置ＳＤは、チップ（ＩＧＢＴ）１、チップ（ダイオード）２、セラミック基板３、ベース基板６、外部端子８、および、封止体９を含む。チップ１は、シリコン（Ｓｉ）またはシリコンカーバイト（ＳｉＣ）からなる基板にＩＧＢＴ等のパワー半導体素子が形成されており、チップ２は、シリコン（Ｓｉ）またはシリコンカーバイト（ＳｉＣ）からなる基板にダイオード素子が形成されている。
　セラミック基板３は、基板３ａと、基板３ａの表面（第１面）３ｔと、表面３ｔの反対側に位置する裏面（第２面）３ｂとを有し、表面３ｔおよび裏面３ｂには、夫々、配線３ｃが形成されており、配線３ｃの表面はメッキ層（金属層）３ｄで覆われている。なお、配線３ｃおよびメッキ層３ｄを合わせて配線と呼ぶ場合もある。基板３ａは、例えば、熱伝導率の高い窒化アルミニウム（ＡｌＮ）または窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、あるいは、汎用性の高いアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）とすることができる。配線３ｃは、例えば、銅（Ｃｕ）膜とし、メッキ層３ｄは、例えば、ニッケル（Ｎｉ）膜とすることができる。
　チップ１およびチップ２は、接着層４を介してセラミック基板３上のメッキ層３ｄに接着されており、配線３ｃおよびメッキ層３ｄに電気的に接続されている。また、チップ１およびチップ２は、ワイヤ５を介して互いに接続されており、かつ、ワイヤ５を介して配線３ｃに接続されている。さらに、配線３ｃおよびメッキ層３ｄには、外部端子８が接続されている。つまり、チップ１およびチップ２は外部端子８に電気的に接続されている。ワイヤ５は、例えば、銅（Ｃｕ）ワイヤまたはアルミニウム（Ａｌ）ワイヤからなる。
　ベース基板６は、基板６ａと、基板６ａの表面（第１面）６ｔと、表面６ｔの反対側に位置する裏面（第２面）６ｂと、その表面６ｔと裏面６ｂとに形成されたメッキ層（金属層）６ｃとからなる。基板６ａは、例えば、高い熱伝導率を有する炭化ケイ素（ＳｉＣ）とアルミニウム（Ａｌ）合金の複合材料（ＡｌＳｉＣ）、銅（Ｃｕ）またはアルミニウム（Ａｌ）合金等で構成されており、メッキ層６ｃは、例えば、ニッケル（Ｎｉ）膜からなる。そして、ベース基板６の表面６ｔに形成されたメッキ層６ｃには、接着層７を介してセラミック基板３の裏面３ｂに形成された配線３ｃおよびメッキ層３ｄが接続されている。接着層４および７は、半田材であり、例えば、鉛（Ｐｂ）入りのＳｎ－Ｐｂ半田材、あるいは、Ｐｂを実質的に含まない、所謂、鉛フリー半田からなる半田材である。鉛フリー半田の例としては、例えば、錫－銅－銀（Ｓｎ－Ｃｕ－Ａｇ）、錫－銅（Ｓｎ－Ｃｕ）、錫－アンチモン（Ｓｎ－Ｓｂ）または錫－銅－アンチモン（Ｓｎ－Ｃｕ－Ｓｂ）などが挙げられる。
　ベース基板６の表面６ｔ側において、チップ１、チップ２、セラミック基板３、ワイヤ５、接着層４、接着層７および外部端子８は、封止体９で覆われている。封止体９は、例えば、シリコーンゲルからなる。なお、図示していないが、外部端子は、封止体９の外部に露出している。
　＜半導体装置の製造方法＞
　次に、図２～１４を用いて、本実施例の半導体装置の製造方法を説明する。図２は、本実施例の半導体装置の製造方法の一部を示す製造工程フロー図、図３は、本実施例の半田シートの製造工程中の斜視図、図４および図５は、半田シートの製造工程中の断面図、図６は、本実施例の半田シートの斜視図、図７は、図６のＸ１－Ｘ１に沿う断面図である。図８～１４は、半導体装置の製造工程中の断面図である。なお、図２において、半田シート１７準備工程Ｓ１と第１積層体１８準備工程とは、どちらが先でも良い。また、図９～１１では、ベース基板６上の２つのアームの領域を示している。図８～１１では、メッキ層３ｄおよびメッキ層６ｃを省略している。また、図１２は、予備加熱工程、図１３および図１４は、本加熱工程を示しているが、１アーム分の第２積層体２１を示しており、チャンバー等の加熱装置は省略している。
　先ず、図２に示す半田シート１７準備工程Ｓ１を説明する。図３に示すように、例えば厚さ２ｍｍの半田インゴット１０を、一対の圧延ロール１１で、例えば厚さ０．２ｍｍに圧延し、圧延半田１２を形成する。圧延半田１２には、その表面にロール目１２ａと呼ばれる微小な凹凸が形成されている。次に、図４に示すように、ダイ１３とパンチ１４とを用いて、長方形のプレス前半田シート１５を形成する。プレス前半田シート１５は、例えば、４７×５７ｍｍとする。次に、図５に示すように、プレス前半田シート１５を、一対の金型１６で挟み込み、所望の形状に圧縮加工を施し、半田シート１７を形成する。
　図６および図７に示すように、半田シート１７は、その断面がＷ字形状を有する。図６に示すように、半田シート１７は、表面（第１面）１７ｔと、表面１７ｔの反対側に位置する裏面（第２面）１７ｂとを有する。また、表面１７ｔは、Ｘ方向に延在する２つの辺１７ｘ１および１７ｘ２ならびにＹ方向に延在する２つの辺１７ｙ１および１７ｙ２を有する。また、表面１７ｔは、凹部Ｃ１およびＣ２を有し、裏面１７ｂは、凹部Ｃ３を有し、凹部Ｃ１～Ｃ３は、半田シート１７の内部において、Ｙ方向に連続的に延在し、辺１７ｘ１および１７ｘ２において半田シート１７の外部に達している。また、図５に示す圧縮加工により、半田シート１７の表面１７ｔおよび裏面１７ｂは平坦な表面を有する。つまり、図３に示す圧延加工によって形成されたロール目１２ａ は、図５に示す圧縮加工によって押し潰されており、表面１７ｔおよび裏面１７ｂの表面積は、図４に示すプレス前半田シート１５の表面および裏面の表面積よりも減少している。また、半田シート１７の中央部には、平坦面を有する吸着部１７ａが設けられている。
　また、図７に示すように、半田シート１７は、３つの山部１７ｍと、２つの谷部１７ｖとを有し、山部１７ｍと谷部１７ｖとの間に直線部１７ｓを有している。山部１７ｍおよび谷部１７ｖは、上記圧縮加工により直線から円弧状に塑性変形が施された領域であるが、直線部１７ｓは塑性変形していない。従って、山部１７ｍおよび谷部１７ｖは、加工硬化により、直線部１７ｓよりも高い硬度を有する。また、山部１７ｍおよび谷部１７ｖの膜厚は、直線部１７ｓの膜厚よりも厚くなっている。また、３箇所の山部１７ｍは、互いに等しい高さに設定されているため、仮想平面ＶＳ１に接触する。同様に、２箇所の谷部１７ｖも互いに等しい高さに設定されているため、仮想平面ＶＳ２に接触する。ここで、仮想平面ＶＳ１は、後述の図１０に示すセラミック基板３のメッキ層３ｄに対応し、仮想平面ＶＳ２は、ベース基板６のメッキ層６ｃに対応している（メッキ層３ｄおよび６ｃは、図１に示す）。
　次に、図２に示す第１積層体１８準備工程を実施する。具体的には、セラミック基板３上にチップ１，２を搭載する工程Ｓ２およびワイヤボンディング工程Ｓ３である。図８に示すように、セラミック基板３上にチップ１および２を搭載し、接着層４を介して配線３ｃに接着する。次に、ワイヤ５により、チップ１とチップ２との間、配線３ｃとチップ１との間、配線３ｃとチップ２との間をそれぞれ電気的に接続する。
　次に、図２に示す第２積層体２１準備工程Ｓ４を実施する。図９に示すように、ベース基板６上において、ガイド１９で囲まれた複数の領域に、順に、半田シート１７を載置する。半田シート１７は、図６に示すように平坦な吸着部１７ａを有しており、吸着治具２０で吸着部１７ａを真空吸着して、半田シート１７をベース基板６上に載置する。ここで、ガイド１９は、各アームの形成領域を位置決めしている。次に、図１０に示すように、半田シート１７上に第１積層体１８を順次載置し、ベース基板６上に半田シート１７を介して複数の第１積層体１８が載置された第２積層体２１を準備する。第１積層体１８の自重により、半田シート１７の高さ方向の寸法は減少するが、図６および図７に示す凹部Ｃ１～Ｃ３は潰れることなく確保されている。なお、凹部Ｃ１～Ｃ３は、後述する予備加熱工程Ｓ６が完了するまで潰れることなく確保されている。また、本実施例では、半田シート１７の半田材として、例えば、融点がおよそ２５０℃のＳｎ－１０％Ｓｂを用いている。
　次に、図２に示すチャンバー２２内に第２積層体２１をセットする工程Ｓ５を実施する。図１１に示すように、半田接続用の熱処理装置のチャンバー２２の内部に第２積層体２１をセットする。そして、この状態で、後述する予備加熱工程Ｓ６および本加熱工程Ｓ７を実施する。熱処理装置は、チャンバー２２、加熱機構２３、ガス導入機構２４および排気機構２５を備える。
　図１１に示すように、チャンバー２２内に第２積層体２１をセットした後、先ず、チャンバー２２内を、例えば、３００Ｐａ程度に減圧した後、チャンバー２２内に、例えば、窒素（Ｎ２）を導入し、チャンバー２２内を大気圧に戻す。こうしてチャンバー２２内を、純粋な窒素（Ｎ２）雰囲気にする。
　次に、図２に示す予備加熱工程Ｓ６を実施する。予備加熱工程Ｓ６は、チャンバー２２内にギ酸と窒素（Ｎ２）の混合ガスを供給しながら、第２積層体２１を加熱する。加熱温度は、半田シート１７の半田材の融点よりも低い温度２００℃、加熱時間は１０分間程度とする。予備加熱工程Ｓ６では、ギ酸の還元反応を利用して、半田シート１７の表面酸化膜、メッキ層３ｄおよび６ｃの表面酸化膜を除去している。ギ酸は、およそ１５０℃以上で効率よく還元反応を起こすことが知られている。
　図１２に示すように、半田シート１７は、３箇所の山部１７ｍでセラミック基板３の配線３ｃの表面に形成されたメッキ層３ｄに接触しており、２箇所の谷部１７ｖでベース基板６の表面に形成されたメッキ層６ｃに接触している。半田シート１７の表面１７ｔには２つの凹部Ｃ１およびＣ２が設けられており、半田シート１７の裏面１７ｂには凹部Ｃ３が設けられている。そして、図６および図７に示すように、平面視において、凹部Ｃ１～Ｃ３は、半田シート１７の内部に連続的に延在しており、半田シート１７の外部に達している。従って、半田シート１７の外部から、凹部Ｃ１～Ｃ３にギ酸を侵入させることができ、半田シート１７の表面１７ｔおよび裏面１７ｂのほぼ全域にわたって表面酸化膜を除去することができる。同様に、メッキ層３ｄおよび６ｃのほぼ全域にわたって表面酸化膜を除去することができる。半田シート１７は、断面視において、複数の山部１７ｍでセラミック基板３のメッキ層３ｄに接触し、かつ、複数の谷部１７ｖでベース基板６のメッキ層６ｃに接触しているため、第１積層体１８の自重によって凹部Ｃ１～Ｃ３が潰れることなく第１積層体１８を支持することができる。
　次に、図２に示す本加熱工程Ｓ７を実施する。ギ酸と窒素（Ｎ２）の混合ガスの供給を止め、第２積層体２１を、半田シート１７の半田材の融点よりも高い温度２８０℃で６分間程度加熱する。図１３は、半田シート１７の半田材の溶融開始時の様子、図１４は、半田材の溶融後であって、半田材の凝固時の様子を示している。図１３に示すように、半田材の溶融開始時には、半田シート１７とメッキ層３ｄとの接触箇所に反応層２６ａが形成され、半田シート１７とメッキ層６ｃとの接触箇所に反応層２６ｂが形成される。反応層２６ａは、半田シート１７の半田材に含まれる錫（Ｓｎ）とメッキ層３ｄに含まれるニッケル（Ｎｉ）との錫－ニッケル合金（Ｓｎ－Ｎｉ合金）または、半田シート１７の半田材に含まれる錫（Ｓｎ）と配線３ｃに含まれる銅（Ｃｕ）との錫－銅合金（Ｓｎ－Ｃｕ合金）である。反応層２６ｂは、半田シート１７の半田材に含まれる錫（Ｓｎ）とメッキ層６ｃに含まれるニッケル（Ｎｉ）との錫－ニッケル合金（Ｓｎ－Ｎｉ合金）である。
　次に、半田シート１７の半田材の溶融に伴い、第１積層体１８がベース基板６側に降下し、図１４に示すように、予備加熱工程Ｓ６に比べ、ベース基板６とセラミック基板３との間隔が狭くなる。半田材の全体が溶融した時点で、チャンバー２２（図１１参照）内を、例えば、３００Ｐａ程度に減圧し、溶融半田層に残留するボイドを除去する。次に、チャンバー２２（図１１参照）内に、例えば、窒素（Ｎ２）を導入し、溶融半田層を凝固させる。こうして、第１積層体１８をベース基板６に半田層からなる接着層７で接着する。詳細は、後述するが、半田シート１７の半田材が溶融し、その後に凝固した段階では、図１４に示すように、接着層７とセラミック基板３のメッキ層３ｄとの界面には、反応層２６ａ´が形成され、接着層７とベース基板６のメッキ層６ｃとの界面には、反応層２６ｂ´が形成されている。反応層２６ａ´および２６ｂ´は、前述の反応層２６ａおよび２６ｂが成長したものであり、反応層２６ａ´および２６ｂ´の厚さは、前述の反応層２６ａおよび２６ｂの厚さよりも厚い。
　次に、図２に示す第２積層体２１の取出し工程Ｓ８、外部端子８接続工程Ｓ９、および、封止体９形成工程Ｓ１０を実施する。本加熱工程Ｓ７が完了後、冷却された第２積層体２１をチャンバー２２（図１１参照）から取出し、図１に示すように外部端子８をセラミック基板３に形成された配線３ｃおよびメッキ層３ｄに接続する。次に、ベース基板６の表面６ｔ側において、チップ１、チップ２、セラミック基板３、ワイヤ５、接着層４、接着層７および外部端子８を封止体９で覆い、図１に示す半導体装置ＳＤが完成する。
　次に、上記の半導体装置の製造方法によって形成された半田層からなる接着層７について説明する。図１５は、図１４の要部拡大断面図であり、接着層７を拡大して表している。図１６は、図１５の接着層７の平面図、図１７は、比較例である半導体装置の要部拡大断面図である。
　図１５に示すように、セラミック基板３とベース基板６とは、半田層からなる接着層７で接着される。接着層７とセラミック基板３のメッキ層３ｄとの界面には、比較的厚い反応層２６ａ´と、比較的薄い反応層２６ｃとが形成されている。反応層２６ｃは、複数の反応層２６ａ´の間の領域に形成されている。また、接着層７とベース基板６のメッキ層６ｃとの界面には、比較的厚い反応層２６ｂ´と、比較的薄い反応層２６ｄとが形成されている。反応層２６ｄは、複数の反応層２６ｂ´の間の領域に形成されている。因みに、比較的厚い反応層２６ａ´および２６ｂ´の厚さは、５０μｍ程度、比較的薄い反応層２６ｃおよび２６ｄの厚さは、２０μｍ程度である。
　図１６に示すように、平面視において、半田層からなる接着層７は、長方形であり、Ｘ方向に延在する２つの辺７ｘ１および７ｘ２と、Ｙ方向に延在する辺７ｙ１および７ｙ２を有する。反応層２６ａ´が形成された領域を領域Ａ、反応層２６ｂ´が形成された領域を領域Ｂとし、領域Ａと領域Ｂの間の領域を領域Ｃとしている。領域Ａ、ＢおよびＣは、Ｘ方向に延在する辺７ｘ１から辺７ｘ２にわたって、Ｙ方向に連続的に延在している。図１５に示す接着層７とメッキ層３ｄとの界面に着目すると、図１６に示す領域Ａには反応層２６ａ´が形成され、領域ＢおよびＣには反応層２６ｃが形成されている。そして、領域ＢおよびＣの面積は領域Ａの面積よりも広い。また、図１５に示す接着層７とメッキ層６ｃとの界面に着目すると、図１６に示す領域Ｂには反応層２６ｂ´が形成され、領域ＡおよびＣには反応層２６ｄが形成されている。そして、領域ＡおよびＣの面積は領域Ｂの面積よりも広い。ここで、図１３を参照すると、比較的厚い反応層２６ａ´および２６ｂ´の形成領域は、半田シート１７とメッキ層３ｄおよび６ｃとが接触していた領域であり、比較的薄い反応層２６ｃおよび２６ｄの形成領域は、半田シート１７とメッキ層３ｄおよび６ｃとが非接触であった領域である。
　図１７は、比較例である半導体装置の要部拡大断面図であり、図１５に対応している。図１７は、先行技術文献に示されたＶ字形状の半田シートを用いた例である。Ｖ字形状の半田シートを用いた場合、上記実施例の第２積層体準備工程Ｓ４において、第１積層体の自重で半田シートが潰れて平坦化する。そして、半田シートと被接合体であるメッキ層３ｄまたは６ｃとが密着した状態で、予備加熱工程Ｓ６が実施されるが、ギ酸を半田シートとメッキ層３ｄまたは６ｃとの界面に十分に侵入させることができないため、半田シート、メッキ層３ｄおよび６ｃの表面酸化膜を充分に除去できず、半田の濡れ不良が発生してしまう。その結果、接着層７の放熱性が低下する。また、上記実施例の本加熱工程Ｓ７が完了すると、図１７に示すように、接着層７とメッキ層３ｄとの界面のほぼ全域に反応層２６ｅが形成され、接着層７とメッキ層６ｃとの界面のほぼ全域に反応層２６ｆが形成されていることが確認された。そして、この反応層２６ｅおよび２６ｆの厚さは、上記の比較的厚い反応層２６ａ´およびｓ６ｂ´の厚さと等しい。このように、厚い反応層２６ｅおよび２６ｆが前記界面のほぼ全域に形成されているため、接着層７の機械的強度が低下し、接着層７に印加されるストレスによるクラック発生で寿命が低下する可能性が高い。特に、製品を使用し続けると反応層２６ｅおよび２６ｆは、徐々に成長し、その膜厚が増加し、逆に、接着層７の半田層の膜厚は減少するため、益々クラックが発生しやすい。よって本実施例と比較すると製品寿命が短い。
　次に、本実施例の効果を説明する。
　予備加熱工程Ｓ６において、半田シート１７が、その表面１７ｔおよび裏面１７ｂに凹部Ｃ１～Ｃ３を有し、平面視において、凹部Ｃ１～Ｃ３が半田シート１７の内部に連続的に延在し、半田シート１７の外部に達しているため、この凹部Ｃ１～Ｃ３にギ酸を侵入させることができる。そして、半田シート１７、セラミック基板３側のメッキ層３ｄ、および、ベース基板６側のメッキ層６ｃの夫々に形成された表面酸化膜を除去することができるため、半田シート１７の半田材の濡れ性を向上でき、半田層からなる接着層７の熱抵抗を低減することができる。つまり、放熱性の高い半導体装置（パワーモジュール）を提供することができる。
　本加熱工程Ｓ７において、半田シート１７の半田材を溶融させた後に、チャンバー２２内を減圧することで、残留ボイドを低減することができ、半田層からなる接着層７の熱抵抗を低減することができる。
　図１５に示すように、接着層７とセラミック基板３側のメッキ層３ｄとの界面には、比較的厚い反応層２６ａ´と、比較的薄い反応層２６ｃが形成されている。接着層７とセラミック基板３側のメッキ層３ｄとの界面に、全体的に比較的厚い反応層２６ｅが形成された比較例に比べ、接着層７の機械的強度を向上することができ、接着層７に印加されるストレスに起因するクラックを防止することができる。また、半導体装置の製品寿命を長くすることができる。また、接着層７とベース基板６のメッキ層６ｃとの界面も同様である。
　半田シート１７は、表面１７ｔに凹部Ｃ１を有し、裏面１７ｂに凹部Ｃ３を有する。そして、図１２に示すように、半田シート１７は、断面視において、凹部Ｃ１の両端に位置する山部１７ｍでセラミック基板３のメッキ層３ｄに接触し、かつ、凹部Ｃ３の両端に位置する谷部１７ｖでベース基板６のメッキ層６ｃに接触しているため、第１積層体１８の自重によって凹部Ｃ１およびＣ３が潰れることなく第１積層体１８を支持することができる。
　断面視において、半田シート１７はＷ字形状を有し、円弧状に塑性変形された山部１７ｍおよび谷部１７ｖは、加工硬化により、その硬度が増加しているため、半田シート１７の高さ方向における強度が向上している。その為、半田シート１７上に第１積層体１８を載置しても、第１積層体１８の自重によって凹部Ｃ１およびＣ３が潰れることなく第１積層体１８を支持することができる。
　＜変形例１＞
　図１８は、変形例１である半田シートの斜視図であり、図１９は、図１８のＸ２－Ｘ２に沿う断面図である。変形例１の半田シート２７は、断面視において、Ｎ字形状を有する。図１８に示すように、半田シート２７は、表面（第１面）２７ｔと、表面２７ｔの反対側に位置する裏面（第２面）２７ｂとを有する。また、表面２７ｔは、Ｘ方向に延在する２つの辺２７ｘ１および２７ｘ２ならびにＹ方向に延在する２つの辺２７ｙ１および２７ｙ２を有する。また、表面２７ｔは、凹部Ｃ４を有し、裏面２７ｂは、凹部Ｃ５を有し、凹部Ｃ４およびＣ５は、半田シート２７の内部において、Ｙ方向に連続的に延在し、辺２７ｘ１および２７ｘ２において半田シート２７の外部に達している。
　また、図１９に示すように、半田シート２７は、２つの山部２７ｍと、２つの谷部２７ｖとを有し、山部２７ｍと谷部２７ｖとの間に直線部２７ｓを有している。山部２７ｍおよび谷部２７ｖは、上記圧縮加工により直線から円弧状に塑性変形が施された領域であるが、直線部２７ｓは塑性変形していない。従って、山部２７ｍおよび谷部２７ｖは、加工硬化により、直線部２７ｓよりも高い硬度を有する。また、２箇所の山部２７ｍは、互いに等しい高さに設定されているため、仮想平面ＶＳ１に接触する。同様に、２箇所の谷部２７ｖも互いに等しい高さに設定されているため、仮想平面ＶＳ２に接触する。ここで、仮想平面ＶＳ１は、図１０に示すセラミック基板３のメッキ層３ｄに対応し、仮想平面ＶＳ２は、ベース基板６のメッキ層６ｃに対応している（メッキ層３ｄおよび６ｃは、図１に示す）。
　図１２において、半田シート１７を半田シート２７に置換えた場合を想定する。半田シート２７は、表面２７ｔに凹部Ｃ４を有し、裏面２７ｂに凹部Ｃ５を有する。そして、半田シート２７は、断面視において、凹部Ｃ４の両端に位置する山部２７ｍでセラミック基板３のメッキ層３ｄに接触し、かつ、凹部Ｃ５の両端に位置する谷部２７ｖでベース基板６のメッキ層６ｃに接触しているため、第１積層体１８の自重によって凹部Ｃ４およびＣ５が潰れることなく第１積層体１８を支持することができる。従って、変形例１の半田シート２７によれば、上記実施例と同様の効果を達成することができる。
　＜変形例２＞
　図２０は、変形例２である半田シートの斜視図であり、図１９は、図１８のＸ２－Ｘ２に沿う断面図である。変形例２の半田シート２８は、Ｘ方向およびＹ方向に、上記実施例のＷ字形状の断面構造を有する。
　図２０に示すように、半田シート２８は、表面（第１面）２８ｔと、表面２８ｔの反対側に位置する裏面（第２面）２８ｂとを有する。また、表面２８ｔは、Ｘ方向に延在する２つの辺２８ｘ１および２８ｘ２ならびにＹ方向に延在する２つの辺２８ｙ１および２８ｙ２を有する。また、表面２８ｔは、凹部Ｃ６～Ｃ９を有し、裏面２８ｂ は、凹部Ｃ１０を有し、凹部Ｃ６は、半田シート２８の内部に形成され、辺２８ｘ１および２８ｙ１において半田シート２８の外部に達している。凹部Ｃ７は、半田シート２８の内部に形成され、辺２８ｘ１および２８ｙ２において半田シート２８の外部に達しており、凹部Ｃ８は、半田シート２８の内部に形成され、辺２８ｘ２および２８ｙ１において半田シート２８の外部に達しており、凹部Ｃ９は、半田シート２８の内部に形成され、辺２８ｘ２および２８ｙ２において半田シート２８の外部に達している。また、凹部Ｃ１０は、半田シート２８の内部において、Ｘ方向およびＹ方向に連続的に延在し、辺２８ｘ１、２８ｘ２、２８ｙ１および２８ｙ２において、半田シート２８の外部に達している。
　変形例２の半田シート２８によれば、上記実施例と同様の効果を達成することができる。
　なお、本発明は、上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　例えば、予備加熱工程Ｓ６において、還元性ガスとしてギ酸を用いたが、水素を用いることも出来る。
　１　チップ（ＩＧＢＴ）
　２　チップ（ダイオード）
　３　セラミック基板
　３ａ　基板
　３ｂ　裏面（第２面）
　３ｃ　配線
　３ｄ　メッキ層（金属層）
　３ｔ　表面（第１面）
　４　接着層
　５　ワイヤ
　６　ベース基板
　６ａ　基板
　６ｂ　裏面（第２面）
　６ｃ　メッキ層（金属層）
　６ｔ　表面（第１面）
　７　接着層
　７ｘ１、７ｘ２、７ｙ１、７ｙ２　辺
　８　外部端子
　９　封止体
　１０　半田インゴット
　１１　圧延ロール
　１２　圧延半田
　１２ａ　ロール目
　１３　ダイ
　１４　パンチ
　１５　プレス前半田シート
　１６　金型
　１７　半田シート
　１７ａ　吸着部（平坦部）
　１７ｂ　裏面（第２面）
　１７ｍ　山部
　１７ｓ　直線部
　１７ｔ　表面（第１面）
　１７ｘ１、１７ｘ２、１７ｙ１、１７ｙ２　辺
　１７ｖ　谷部
　１８　第１積層体
　１９　ガイド
　２０　吸着治具
　２１　第２積層体
　２２　チャンバー
　２３　加熱機構
　２４　ガス導入機構
　２５　排気機構
　２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ、２６ｅ、２６ｆ　反応層
　２７　半田シート
　２７ｂ　裏面（第２面）
　２７ｍ　山部
　２７ｓ　直線部
　２７ｔ　表面（第１面）
　２７ｘ１、２７ｘ２、２７ｙ１、２７ｙ２　辺
　２７ｖ　谷部
　２８　半田シート
　２８ｂ　裏面（第２面）
　２８ｍ　山部
　２８ｓ　直線部
　２８ｔ　表面（第１面）
　２８ｘ１、２８ｘ２、２８ｙ１、２８ｙ２　辺
　２８ｖ　谷部
　Ａ、Ｂ、Ｃ　領域
　Ｃ１～Ｃ１０　凹部
　ＳＤ　半導体装置（パワーモジュール）
　ＶＳ１、ＶＳ２　仮想平面

Claims (15)

  1. 　（ａ)第１面、前記第１面の反対側に位置する第２面、前記第１面上に形成された第１配線、および前記第２面上に形成された第２配線、を備える第１基板を準備する工程、
    　（ｂ）前記第１配線上に、絶縁ゲートバイポーラトランジスタからなる第１チップおよびダイオードからなる第２チップを搭載した第１積層体を準備する工程、
    　（ｃ）第３面、前記第３面の反対側に位置する第４面、および前記第３面上に形成された金属層を含む第２基板上に、半田シートを介して前記第１積層体を載置した第２積層体を準備する工程、
    　（ｄ）前記第２積層体をチャンバー内に設置する工程、
    　（ｅ）前記チャンバー内に還元性ガスを流入しながら、前記第２積層体を、前記半田シートの半田材の融点よりも低い第１温度で加熱する工程、
    　（ｆ）前記（ｅ）工程に続き、前記チャンバー内の前記第２積層体を、前記半田シートの半田材の融点よりも高い第２温度で加熱し、前記半田シートの半田材を溶融する工程、
    を有し、
    　前記（ｅ）工程において、
    　　前記半田シートは、前記第１基板側の第５面に第１凹部、および前記第２基板側の第６面に第２凹部を含み、
    　　前記半田シートは、前記第１凹部の両端で前記第２配線に接触しており、
    　　前記半田シートは、前記第２凹部の両端で前記金属層に接触しており、
    　　平面視において、前記第１凹部および前記第２凹部の夫々は、前記半田シートの内部に連続して延在し、前記半田シートの外部に達している、半導体装置の製造方法。
  2. 　請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
    　前記還元性ガスは、ギ酸を含む、半導体装置の製造方法。
  3. 　請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
    　前記還元性ガスは、水素を含む、半導体装置の製造方法。
  4. 　請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
    　前記（ｆ）工程において、
    　前記半田シートの半田材を溶融した後に、前記チャンバー内を減圧する、半導体装置の製造方法。
  5. 　請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
    　前記半田シートは、前記第５面に、さらに第３凹部を含み、
    　前記（ｅ）工程において、
    　　前記半田シートは、前記第３凹部の両端で前記第２配線に接触しており、
    　　平面視において、前記第３凹部は、前記半田シートの内部に連続的に延在し、前記半田シートの外部に達している、半導体装置の製造方法。
  6. 　第１金属層と、
    　第２金属層と、
    　前記第１金属層と前記第２金属層とを接続する半田層と、
    を有し、
    　前記第１金属層と前記半田層との界面には、第１反応層および第２反応層が形成されており、
    　前記第２反応層の膜厚は、前記第１反応層の膜厚よりも薄く、
    　平面視において、前記第２反応層は、前記半田層の内部に連続的に延在し、前記半田層の外部に達している、半導体装置。
  7. 　請求項６に記載の半導体装置において、
    　平面視において、前記第２反応層の面積は、前記第１反応層の面積よりも広い、半導体装置。
  8. 　請求項６に記載の半導体装置において、
    　前記第２金属層と前記半田層との界面には、第３反応層および第４反応層が形成されており、
    　前記第４反応層の膜厚は、前記第３反応層の膜厚よりも薄く、
    　平面視において、前記第４反応層は、前記半田層の内部に連続的に延在し、前記半田層の外部に達している、半導体装置。
  9. 　請求項８に記載の半導体装置において、
    　平面視において、前記第４反応層の面積は、前記第３反応層の面積よりも広い、半導体装置。
  10. 　請求項８に記載の半導体装置において、
    　さらに、
    　第１面と、前記第１面の反対側に位置する第２面とを備える第１基板と、
    　前記第１面上に形成された第１配線と、
    　前記第２面上に形成された第２配線と、
    　前記第１配線に接続された絶縁ゲートバイポーラトランジスタからなる第１チップおよびダイオードからなる第２チップと、
    　前記第１基板、前記第１チップおよび前記第２チップを搭載する第２基板と、
    　前記第２配線上に形成された第１メッキ層と、
    　前記第２基板上に形成された第２メッキ層と、
    を有し、
    　前記第１金属層は、前記第１メッキ層であり、前記第２金属層は、前記第２メッキ層である、半導体装置。
  11. 　請求項１０に記載の半導体装置において、
    　前記半田層は、Ｓｎを含み、
    　前記第１メッキ層は、Ｎｉを含み、
    　前記第１反応層および前記第２反応層は、ＳｎとＮｉの合金からなる、半導体装置。
  12. 　請求項１１に記載の半導体装置において、
    　前記第２メッキ層は、Ｎｉを含み、
    　前記第３反応層および前記第４反応層は、ＳｎとＮｉの合金からなる、半導体装置。
  13. 　円弧状の第１部分と、
    　前記第１部分の両側に位置する円弧状の第２部分および第３部分と、
    　前記第１部分と前記第２部分の間に位置する直線状の第４部分と、
    　前記第１部分と前記第３部分の間に位置する直線状の第５部分と、
    を有し、
    　前記第１部分は、上側に凸であり、
    　前記第２部分および前記第３部分は、下側に凸であり、
    　前記第１部分、前記第２部分および前記第３部分の硬度は、前記第４部分および前記第５部分の硬度よりも大きい、半田シート。
  14. 　請求項１３に記載の半田シートであって、
    　前記第１部分、前記第２部分および前記第３部分の膜厚は、前記第４部分および前記第５部分の膜厚よりも大きい、半田シート。
  15. 　（ａ）半田インゴットを、２つの圧延ローラ間を通過せさて、第１面と、前記第１面の反対側に位置する第２面とにロール目を有する圧延半田を形成する工程、
    　（ｂ）前記圧延半田を所定の形状に切断に、第１半田シートを形成する工程、
    　（ｃ）前記第１半田シートを２つの金型に挟み込んで圧縮することにより、断面視において、Ｗ字形状の第２半田シートを形成する工程、
    を有し、
    　前記（ｃ）工程において、前記ロール目を潰し、平坦な前記第１面および前記第２面を形成する、半田シートの製造方法。
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