JP4842574B2

JP4842574B2 - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP4842574B2
Application number: JP2005203883A
Authority: JP
Inventors: 茂己影山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-07-13
Filing date: 2005-07-13
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2025-07-13
Also published as: JP2007027227A

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関するものであり、特に、はんだによって半導体装置の構成要素が接合されるものに関する。

１Ｗを越えるような比較的パワーの大きい、例えば業務用無線やＬＡＮ等の通信に使用される整合回路付きの高周波パワーアンプモジュールなどにおいて、発熱する半導体素子を、熱伝導率が低い基板上に搭載するのではなく、熱伝導率が高い支持体、例えば放熱板に搭載するものがある。例えば、放熱板と基板の裏面がはんだによって接着される構造の半導体装置であって、基板に半導体素子（または半導体素子を有する半導体部品）が収容可能な収容穴（キャビティ）が形成され、キャビティを介して見える放熱板の部分に半導体素子または半導体部品が直接搭載されるまたは台座を介して搭載されるものがある。半導体素子または半導体部品は、基板の主面のキャビティ縁部に設けられた端子と電気的に接続される。このような半導体装置は、キャビティダウン型半導体装置と呼ばれている。キャビティダウン型半導体装置の一例として、特許文献１のものがある。
特開平１１−９７５６７号公報

しかしながら、はんだによって放熱板と接着される基板にキャビティが形成された半導体装置において、はんだの溶融中に、はんだに含まれるフラックスが液化するまたは気化することにより体積膨張してキャビティから噴出し、それによりキャビティからフラックスや溶融したはんだ粉末が飛散することがある。これにより、溶融したはんだ粉末やフラックスが基板の主面に付着することがあった。

そこで、本発明は、基板の裏面と支持体をはんだによって接合する際の加熱工程において、キャビティから飛散するはんだ（フラックスや溶融したはんだ粉末）の基板の主面の付着を抑制する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に、本発明に係る半導体装置の製造方法は、
半導体部品の収容穴が形成された基板の裏面と支持体がはんだによって接合され、収容穴を介して見える支持体の部分に半導体部品が搭載される半導体装置の製造方法であって、
基板の裏面と支持体をはんだで接合するとき、収容穴から噴出するはんだの基板の主面への付着を防止するための部材を基板の主面上に載置することを特徴とする。

本発明によれば、半導体部品の収容穴が形成された基板の裏面と支持体をはんだで接合するとき、収容穴から噴出するはんだの基板の主面への付着を防止するための部材を基板の主面上に載置ことにより、収容穴から噴出したはんだの基板の主面への付着が抑制される。

まず、本明細書において、「はんだ」は、はんだ粉末とフラックスが混合されたものを言う。はんだ粉末は、例えば錫や鉛などの粉末であって、被接合部材の間で溶融して固化することにより該被接合部材同士を接合するものを言う。一方、フラックスは、例えば樹脂などであって、被接合部材の表面酸化物を除去して溶融したはんだ粉末と被接合部材の濡れ性を向上させるものを言う。

関連の形態１．
図１（ａ）に本発明の一関連の形態に係る半導体装置の上面図を示し、図１（ｂ）に図１（ａ）においてＡ方向から見た半導体装置の断面図を示す。図１において符号１０で示される半導体装置は、いわゆるキャビティダウン型の半導体装置であって、概略、半導体チップ１２と、半導体チップ１２が搭載される台座１４と、半導体チップ１２と電気的に接続される基板１６と、基板１６が接合される放熱板１８とを有する。

半導体チップ１２は、放熱板１８に裏面２０が接合された基板１６に形成されている穴（キャビティ）２２を介して見える放熱板１８の部分に台座１４を介して搭載される。台座１４は、熱伝導性に優れつつ半導体チップ１２と放熱板１８の間の線膨張係数差を考慮した材料で作製されている。これにより、半導体装置１０の駆動中に半導体チップ１２から発生した熱は、効率よく放熱板１８に伝達される。

キャビティ２２は、半導体チップ１２が搭載された台座１４を十分に収容するような大きさ、すなわちキャビティ２２の内周面と台座１４の間に間隙が形成されるような大きさで基板１６に形成されている。

基板１６には、少なくともキャビティ２２の周縁部に複数の貫通穴（基板１６の主面２４と裏面２０を連絡する穴）２６が形成されている。複数の貫通穴２６は、半導体装置１０の駆動には関与しておらず、半導体装置１０の製造において機能するものである。半導体装置１０の製造については後述する。

また、基板１６の主面２４のキャビティ２２の周縁部には、半導体チップ１２とボンディングワイヤ２８によって電気的に接続される接続部（図示せず）を有する。

次に、半導体装置１０の作製方法、具体的に言うと基板１６と放熱板１８の接合方法について説明する。

基板１６と放熱板１８の接合は、はんだ３０によって行われる。まず、クリーム状のはんだ（いわゆるソルダペーストと呼ばれるもので、はんだ粉末とペースト状のフラックスからなるもの）３０が、基板１６の裏面２０または放熱板１８の基板１６との接合面のいずれか一方にスキージによって均一な厚さで塗布される。次に、基板１６と放熱板１８をはんだ３０を介して重ね合わせる。続いて、はんだ３０を溶融するために、例えば、はんだ３０を介して重ね合わせた状態の基板１６と放熱板１８を炉に入れて加熱する。

はんだ３０の溶融工程において、はんだ３０に含まれるペースト状のフラックスが液化または気化し、基板１６と放熱板１８の間から外に向かって移動（噴出）する。このとき、液化または気化したフラックスは基板１６に設けられた複数の貫通穴２６やキャビティ２２を介して外に移動する。キャビティ２２を介して外に移動する液化または気化したフラックスの量は、複数の貫通穴２６が基板１６に形成されていない場合に比べて少なくなり、それにより、キャビティ２２からフラックスが噴出することによってキャビティから飛散する溶融したはんだ粉末やフラックスの量も少なくなる。その結果、基板１６の主面に付着するはんだ（溶融したはんだ粉末やフラックス）の量が少なくなる。

はんだ３０が十分に溶融した後、はんだ３０を固化するために、はんだ３０を介して重ね合わせた状態の基板１６と放熱板１８が除熱される。そして、基板１６と放熱板１８が接合される。なお、基板１６と放熱板１８のはんだ３０による接合とともに、半導体チップ１２が搭載された台座１４と放熱板１８の接合を同一工程でおこなってもよい。

関連の形態２．
上述の関連の形態は、基板に複数の貫通穴を形成することによってキャビティから飛散するはんだの量を少なくした。本関連の形態は、放熱板に貫通穴を形成することによりキャビティから飛散するはんだの量を抑制する。

図２（ａ）に本関連の形態に係る半導体装置の上面図を示し、図２（ｂ）に図２（ａ）においてＢ方向から見た半導体装置の断面図を示す。

図２において符号１１０で示される半導体装置において、関連の形態１の半導体装置１０と異なる点は放熱板１１８である。したがって、放熱板１１８について説明する。

放熱板１１８は、少なくとも基板１１６の裏面１２０のキャビティ１２２の周縁部と対向する部分に、はんだ１３０を介して基板１１６と接合する面（接合面）１３２から該接合面１３２と対向する面（裏面）１３４を連絡する複数の貫通穴１３６を有する。貫通穴１３６は、関連の形態１の半導体装置１０の基板１６に形成された複数の貫通穴２６と同様に機能し、基板１１６と放熱板１１８のはんだ１３０による接合時にキャビティ１２２から飛散するはんだの量を抑制する。

関連の形態１において基板１６に形成される複数の貫通穴２６のレイアウトは、例えばボンディングワイヤ２８の端子などによって制限されるが、本関連の形態の放熱板１１８に形成される貫通穴１３６のレイアウトは大きく制限されることはない。

関連の形態３．
本関連の形態は、関連の形態２とは異なり、貫通穴の代わりに溝が放熱板に形成されていることを特徴とする。

図３（ａ）に本関連の形態に係る半導体装置の上面図を示し、図３（ｂ）に図３（ａ）においてＣ方向から見た半導体装置の断面図を示す。

図３において符号２１０で示される半導体装置において、関連の形態２の半導体装置１１０と異なる点は放熱板２１８である。したがって、放熱板２１８について説明する。

放熱板２１８は、少なくとも基板２１６の裏面２２０のキャビティ２２２の周縁部と対向する部分から半導体装置２１０の側面２３８とを連絡する、はんだ２３０を介して基板２１６と接合する面（接合面）２３２に形成された複数の溝２４０を有する。溝２４０は、基板２１６と放熱板２１８の間から外に移動しようとするはんだ２３０のフラックスを側面２３８に案内し、キャビティ２２２から噴出するフラックス量を抑制する役割を果たす。その結果、基板２１６と放熱板２１８のはんだ２３０による接合時にキャビティ２２２から飛散するはんだの量が抑制される。

本関連の形態の半導体装置は、関連の形態２とは異なり放熱板の裏面に貫通穴の開口が形成されていないため、放熱板の裏面に他の半導体装置の構成要素を取り付けることができる。

関連の形態４．
本関連の形態の半導体装置は、関連の形態２が放熱板の接合面から裏面を連絡する貫通穴を有するのに対し、放熱板の接合面から放熱板の側面を連絡する貫通穴を有することに特徴がある。

図４（ａ）に本関連の形態に係る半導体装置の上面図を示し、図４（ｂ）に図４（ａ）においてＤ方向から見た半導体装置の断面図を示す。

図４において符号３１０で示される半導体装置において、関連の形態２の半導体装置１１０と異なる点は放熱板３１８である。したがって、放熱板３１８について説明する。

放熱板３１８は、少なくとも基板３１６の裏面３２０のキャビティ３２２の周縁部と対向する部分から半導体装置３１０の側面３３８とを連絡する複数の貫通穴３４２を有する。貫通穴３４２は、関連の形態２の半導体装置１１０の複数の貫通穴１２６と同様に機能し、基板３１６と放熱板３１８のはんだ３３０による接合時にキャビティ３２２から飛散するはんだの量を抑制する。

本関連の形態は、半導体装置のサイズが小さい場合に有効である。放熱板の接合面から側面に向かうフラックスを移動させるための流路を形成するのは関連の形態３の溝と同様であるが、本関連の形態の放熱板は該流路を貫通穴で構成することにより、基板に対する十分な大きさの接合面を確保している。関連の形態３において半導体装置のサイズが小さくなると、接合面に対する溝が占める面積が増え、基板と実質的に接合する面が減少することになる。放熱板と基板の実質的な接合面が減少すると、電気的または熱的な接続が十分に行われずに、半導体装置が十分な機能を果たせない場合がある。

ここまでは、半導体装置の製造におけるはんだの溶融中、基板のキャビティから噴出するフラックスの量を抑制し、それにより、キャビティから飛散するはんだの量を抑制し、その結果、基板の主面に付着するはんだの量を抑制することができる構造の半導体装置を説明してきた。ここからは、基板の主面に付着するはんだの量を抑制することができる半導体装置の製造方法について説明する。

以下、説明する半導体装置の製造方法は、関連の形態１〜４に係る半導体装置を含む、いわゆるキャビティダウン型の半導体装置の製造方法である。したがって、半導体装置の構成要素の説明に関しては省略する。

関連の形態５．
図５（ａ）に本関連の形態の製造方法において製造中の半導体装置の上面図を示し、図５（ｂ）に図５（ａ）においてＥ方向から見た半導体装置の断面図を示す。

本関連の形態の半導体装置の製造方法においては、基板４１６と放熱板４１８の接合中（はんだ４３０の溶融中）、基板４１６のキャビティ４２２から飛散するはんだ４３０の基板４１６の主面４２４への付着を防止するために、基板４１６の主面４２４上に付着防止部材４４４が載置される。防止部材４４４は、基板４１６に対して脱着可能なテープやシール、または膜などであって、少なくともはんだ４３０が付着すると不都合な部分、例えば図５に示すようにキャビティ４２２周縁のボンディングワイヤが接続される部分（図１〜４参照。）に貼り付けられる。当然ながら、防止部材４４４は、はんだ４３０の溶融のための高熱環境に耐えうる耐熱性を有する。防止部材４４４により、キャビティ４２２から飛散するはんだ４３０の基板４１６の主面４２４への付着が防止される。

実施の形態６．
図６（ａ）に本実施の形態の製造方法において製造中の半導体装置の上面図を示し、図６（ｂ）に図６（ａ）においてＦ方向から見た半導体装置の断面図を示す。

本実施の形態の半導体装置の製造方法においては、基板５１６と放熱板５１８の接合中（はんだ５３０の溶融中）、基板５１６のキャビティ５２２から飛散するはんだ５３０の基板５１６の主面５２４への付着を防止するために、言い換えるとキャビティ５２２から飛散するはんだ５３０をキャビティ５２２から出さないように捕獲するために、キャビティ５２２が部材５４６で覆われる。部材５４６は、空気が通過可能な耐熱性に優れた、例えば金属ウール、カーボンファイバー、耐熱紙、耐熱繊維などで構成されている。部材５４６を空気が通過可能なものとする理由は、気化してキャビティ５２２に噴出するフラックスを外に逃がすためである。捕獲部材５４６により、キャビティ５２２から飛散するはんだ５３０は捕獲され、その結果、キャビティ５２２から飛散するはんだ５３０の基板５１６の主面５２４への付着が防止される。

関連の形態７．
図７（ａ）に本関連の形態の製造方法において製造中の半導体装置の上面図を示し、図７（ｂ）に図７（ａ）においてＧ方向から見た半導体装置の断面図を示す。

本関連の形態の半導体装置の製造方法においては、基板６１６と放熱板６１８の接合中（はんだ６３０の溶融中）、基板６１６のキャビティ６２２から飛散するはんだ６３０の基板６１６の主面６２４への付着を防止するために、言い換えるとキャビティ６２２からはんだ６３０を飛散させる原因の基板６１６と放熱板６１８の間からキャビティ６２２に噴出するはんだ６３０の液状のフラックスを吸収するために、キャビティ６２２の内周面に沿ってフラックスを吸収する複数の吸収部材６４８が配置される。吸収部材６４８は、例えば毛細管や毛細管現象を利用して液体を吸収できるもの（例えば、スポンジ状のもの）が該当する。吸収部材６４８により板６１６と放熱板６１８の間からキャビティ６２２に噴出するはんだ６３０の液状のフラックスが吸収されることにより、キャビティ６２２から飛散するはんだ６３０の量が減少し、その結果、キャビティ６２２から飛散するはんだ６３０の基板６１６の主面６２４への付着が抑制される。

関連の形態８．
図８に本関連の形態の製造方法において製造中の半導体装置を示す。

本関連の形態の半導体装置の製造方法においては、基板７１６と放熱板７１８の接合中（基板７１６と放熱板７１８を接合するはんだの溶融中）、基板７１６のキャビティ７２２から飛散するはんだの基板７１６の主面７２４への付着を防止するために、キャビティ７２２から飛散するはんだを半導体装置７１０から離れるように吹き飛ばす気流７５０を発生させる送風装置７５２が配置される。気流７５０は、基板７１６の主面７２４と略平行に流れている。気流７５０により、キャビティ７２２から飛散するはんだが半導体装置７１０から離れるように吹き飛ばされ、その結果、キャビティ７２２から飛散するはんだの基板７１６の主面７２４への付着が抑制される。

また、関連の形態８の改良例として、図９に示すように、キャビティ８２２上に吸引装置８５４によって上昇気流８５６を発生させ、上昇気流８５６によってキャビティ８２２から飛散するはんだ８３０を半導体装置８３０から離れるように吹き飛ばすようにしてもよい。厳密には、キャビティ８２２から飛散したはんだ８３０は、吸引装置８５４によって吸引される。

実施の形態９．
図１０に本実施の形態の製造方法において製造中の半導体装置を示す。

本実施の形態の半導体装置の製造方法においては、基板９１６と放熱板９１８の接合中（はんだ９３０の溶融中）における基板９１６のキャビティ９２２から飛散するはんだ９３０の基板９１６の主面９２４への付着を防止するために、基板９１６と放熱板９１８の接合を、はんだ９３０のフラックスの蒸気圧より高い内圧のチャンバー９５８内で行う。キャビティ９２２からのはんだ９３０の飛散は、基板９１６と放熱板９１８の間ではんだ９３０のペースト状のフラックスが急激に気化して体積膨張することによる影響が大きい。本実施の形態では、はんだ９３０のフラックスが気化する温度における蒸気圧よりチャンバー９５８の内圧を高くすることにより、該フラックスの急激な体積膨張を抑制し、それにより、キャビティ９２２から基板９１６の主面９２４に飛散するはんだ９３０の量を低くしている。

実施の形態１０．
図１１に本実施の形態の製造方法において製造中の半導体装置を示す。

本実施の形態の半導体装置の製造方法においては、基板１０１６と放熱板１０１８の接合中（はんだ１０３０の溶融中）、基板１０１６のキャビティ１０２２から飛散するはんだ１０３０の基板１０１６の主面１０２４への付着を防止するために、裏面１０２０を上方に向けた状態で基板１０１６を配置し、上方から放熱板１０１８を基板１０１６にはんだ１０３０で接合する。キャビティ１０２２から飛散するはんだ１０３０は、重力によって落下する。これにより、キャビティ１０２２から飛散するはんだ１０３０の基板１０１６の主面１０２４への付着が抑制される。

以上、いくつかの実施の形態を示して本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されない。例えば、基板と接合されるものは放熱板でなくてもよく、基板と半導体チップ（台座）を支持するものであればよい。また、半導体チップは、台座を介して放熱板に搭載されるが、直接放熱板に搭載してもよい。さらに、関連の形態２〜４の構造を全て有する半導体装置であってもよい。

最後に、上述の実施の形態は、併用して実施することが可能である。例えば、関連の形態１〜４の構造を有する半導体装置の製造に実施の形態５〜１０の製造方法を実施することが可能である。併用した場合、キャビティから噴出するはんだの基板の主面への付着がより抑制される。

本発明の関連の形態１に係る半導体装置を示す図である。本発明の関連の形態２に係る半導体装置を示す図である。本発明の関連の形態３に係る半導体装置を示す図である。本発明の関連の形態４に係る半導体装置を示す図である。本発明の関連の形態５に係る半導体装置の製造方法を示す図である。本発明の実施の形態６に係る半導体装置の製造方法を示す図である。本発明の関連の形態７に係る半導体装置の製造方法を示す図である。本発明の関連の形態８に係る半導体装置の製造方法の一例を示す図である。本発明の関連の形態８に係る半導体装置の製造方法の別例を示す図である。本発明の実施の形態９に係る半導体装置の製造方法を示す図である。本発明の実施の形態１０に係る半導体装置の製造方法を示す図である。

符号の説明

１０半導体装置、１２半導体部品（半導体チップ）、１６基板、１８支持体（放熱板）、２０裏面、２２収容穴（キャビティ）、２４主面、２６貫通穴、３０はんだ

Claims

半導体部品の収容穴が形成された基板の裏面と支持体がはんだによって接合され、収容穴を介して見える支持体の部分に半導体部品が搭載される半導体装置の製造方法であって、
基板の裏面と支持体をはんだで接合するとき、空気が通過可能であって収容穴から噴出するはんだを捕獲するための部材で収容穴を覆うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
半導体部品の収容穴が形成された基板の裏面と支持体がはんだによって接合され、収容穴を介して見える支持体の部分に半導体部品が搭載される半導体装置の製造方法であって、
基板の裏面と支持体のはんだによる接合を、はんだのフラックスの蒸気圧より高い圧力下で行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
半導体部品の収容穴が形成された基板の裏面と支持体がはんだによって接合され、収容穴を介して見える支持体の部分に半導体部品が搭載される半導体装置の製造方法であって、
基板の裏面および半導体部品を支持体に同時にはんだで接合するとき、裏面を上方に向けた状態で基板を配置するとともに半導体部品の接合側面を上方に向けた状態で配置し、上方から支持体を基板と半導体部品にはんだで接合することを特徴とする半導体装置の製造方法。