JP5921322B2 - 半導体モジュールの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は半導体モジュールおよび半導体モジュールの製造方法に関する。

一般に半導体モジュールは、回路パターンが形成された金属基板上に、例えば、ＩＧＢＴチップ等のパワートランジスタやダイオードチップ等の半導体素子がはんだ接合されて形成される。従来の半導体モジュールは、金属基板と半導体素子をはんだにより接合する工程において、金属基板と半導体素子の接合部から溶融したはんだがはみ出すことを防止するため、また半導体素子を所定の位置にはんだ接合するために、金属基板上の、半導体素子との接合部周辺に予めソルダーレジストを形成してから、はんだ接合を行っていた（例えば、特許文献１参照）。

ソルダーレジストの形成は、一般に以下の工程により行われる。まず、エポキシ系やイミド系のクリーム状のソルダーレジスト（インクとも呼ばれる）を準備する。次に、ソルダーレジストを金属基板全面に、例えばスプレーで塗布する。塗布したソルダーレジストを乾燥させた後、ソルダーレジストを形成する部分にのみ露光を行い、未硬化部分を洗い流す。最後に、残ったソルダーレジストを加熱して硬化させる。以上の工程を経て、金属基板上に所望のパターンのソルダーレジストが形成される。

なお、ソルダーレジストを金属基板に塗布する工程において、印刷によって塗布する方法もある。また、塗布するソルダーレジストの膜厚、乾燥・加熱する温度等は、所定の範囲に管理される。

特開平１０−７０２１２号公報

上述のソルダーレジストペースト（インク）の製造工程において、複数の材料（例えば、１０〜２０種類）を計測し、混合・攪拌する作業が必要であり、インク製造において、コストと時間を要していた。また、回路パターンごとに、印刷する際のマスク（印刷により塗布する場合）や紫外線を照射する際の露光マスクを製造する必要があり、コストが増大していた。

また、塗布するソルダーレジストの膜厚や乾燥、加熱する温度等を工程ごとに適切に管理する必要があり、製造コストが増大する問題があった。

本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、半導体素子を金属基板上にはんだ接合する際に、接合部からのはんだのはみ出しを低コストで防止した半導体モジュールおよび半導体モジュールの製造方法の提供を目的とする。

本発明に係る半導体モジュールの製造方法は、（ａ）金属ベース板の上に絶縁層を介して金属パターンが形成された金属基板を準備する工程と、（ｂ）金属パターンに半導体素子をはんだで接合する工程と、（ｃ）金属パターンにモジュール端子をはんだで接合する工程と、（ｄ）工程（ｂ）および（ｃ）の前に、金属パターン上の、金属パターンと半導体素子の接合部の周辺および金属パターンとモジュール端子の接合部の周辺に、加熱された刻印にて金属パターンを加熱することにより酸化物を一括に形成する工程と、を備える。

また、本発明に係る半導体モジュールの製造方法は、金属ベース板の上に絶縁層を介して金属パターンが形成された金属基板を準備する工程（ａ）と、（ｂ）金属パターンに半導体素子をはんだで接合する工程（ｂ）と、（ｃ）金属パターンにモジュール端子をはんだで接合する工程（ｃ）と、工程（ｂ）および（ｃ）の前に、金属パターン上の、金属パターンと半導体素子の接合部の周辺および金属パターンとモジュール端子の接合部の周辺に、加熱された刻印にて金属パターンを加熱することにより酸化物を一括に形成する工程（ｄ）とを備える。

本発明に係る半導体モジュールにおいて、金属パターンと半導体素子のはんだ接合を行う工程、および金属パターンとモジュール端子のはんだ接合を行う工程よりも前の工程で、酸化物が形成されていれば、半導体素子およびモジュール端子のはんだ接合を行う際に、溶融したはんだが接合部の外側にはみ出すことを酸化物により防止することができる。また、酸化物は、加熱された刻印にて金属パターンを加熱することにより一括に形成される。よって、ソルダーレジストの形成に比べて、短時間、低コストで酸化物を形成することが可能である。以上より、接合部からのはんだのはみ出しを抑制した、はんだの接合精度の高い半導体モジュールを低コストで得ることが可能である。

また、本発明に係る半導体モジュールの製造方法において、金属パターンと半導体素子の接合部の周辺および金属パターンとモジュール端子の接合部の周辺に予め酸化物を形成した後で、金属パターンに半導体素子をはんだで接合する工程および金属パターンにモジュール端子をはんだで接合する工程を行うため、はんだによる接合の際に、溶融したはんだが接合部の外側にはみ出すことを酸化物により防止することができる。

また、酸化物は、加熱された刻印によって金属パターンを加熱して一括に形成されるため、ソルダーレジストを形成する場合と比較して、短時間、低コストでソルダーレジストと同様の機能を発揮する酸化物を形成することができる。よって、はんだ接合の精度の高い半導体モジュールを低コストで製造することが可能である。また、はんだ接合の精度が高まることにより、歩留まりが向上する。また、短時間で酸化物の形成が可能なため、生産性も向上する。

本発明の実施の形態に係る半導体モジュールの構成を示す図である。 本発明の実施の形態に係る半導体モジュールの変形例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る酸化物の形状の別の例を示す図である。

＜実施の形態＞
＜構成＞
図１（ａ）に、本実施の形態に係る半導体モジュールの平面図を示す。また、図１（ｂ）に、本実施の形態に係る半導体モジュールの断面図を示す。

金属基板１において、金属ベース板１ａの上に絶縁層１ｂを介して、所定の金属パターン１ｃが形成されている。金属パターン１ｃ上の所定の位置には、半導体素子３および筒状のモジュール端子４がはんだ２により接合されている。モジュール端子４は、外部の回路と半導体モジュールを接続するための端子であり、金属基板１に対して略垂直に接合される。半導体素子３は、例えば、ＩＧＢＴチップ３ａやダイオードチップ３ｂである。

なお、金属パターン１ｃの形状や半導体素子３の種類およびモジュール端子４の本数、配置等は、半導体モジュールの品種、設計、用途等により異なるため、本実施の形態に限定されるものではない。

また、金属パターン１ｃ上の、金属パターン１ｃと半導体素子３（ＩＧＢＴチップ３ａ、ダイオードチップ３ｂ）の接合部、および金属パターン１ｃとモジュール端子４の接合部をそれぞれ連続的に囲んで酸化物１ｄが形成されている。

なお、金属パターン１ｃの材質を銅または銅を含む合金とすると、特にＩＧＢＴチップ３ａの放熱性の観点から好ましい。

本実施の形態における半導体モジュールは、例えば、大電力用途の半導体モジュールであり、ＩＧＢＴチップ３ａにて電力の制御を行う。また、ダイオードチップ３ｂは、回生電流からＩＧＢＴチップ３ａを保護するために設けられている。

＜製造方法＞
金属基板１は、以下の様にして形成される。銅製の金属ベース板１ａ上に、窒化珪素の絶縁層１ｂがはんだ接合により貼り合わせられ、絶縁層１ｂ上には、例えば、リソグラフィー工程により、所定の金属パターン１ｃが形成される。ここで、金属パターン１ｃの材質は、銅または銅を含む合金である。さらに、金属パターン１ｃの表面には、ＮｉまたはＮｉを含む合金によりめっきが施される。

次に、金属パターン１ｃ上に、所定のパターンの酸化物１ｄを形成する。まず、刻印を準備する。刻印は金属体であり、図１(ａ）に示す酸化物１ｄのパターンに対応する形状に掘り込み加工されている。この刻印を大気中で、例えば５００℃程度に加熱する。

次に、加熱した刻印を、Ｎｉ又はＮｉを含む合金でめっきされた金属パターン１ｃに押し付けることにより、めっきが酸化して所定のパターンの酸化物１ｄが一括に形成される。

なお、金属パターン１ｃの表面にめっきが施されていない場合には、加熱された刻印によって金属パターン１ｃが酸化して所定のパターンの酸化物１ｄが一括に形成される。

以上のようにして金属パターン１ｃ上に所定のパターンの酸化物を１ｄ形成した後、金属パターン１ｃ上の所定の場所に、半導体素子３およびモジュール端子４がはんだ接合される。ここで、半導体素子３およびモジュール端子４の接合部分の各々は、酸化物１ｄにより連続的に囲まれている。

はんだ接合には、フラックス入りはんだペーストを用い、以下の手順で行われる。まず、金属基板１上のはんだ接合を行う位置に、フラックス入りはんだペーストを印刷する。次に、印刷したはんだペースト上に、半導体素子３およびモジュール端子４を搭載する。次に、リフロー炉にて加熱を行い、はんだ２を溶融させた後、冷却を行う。以上の工程により、半導体モジュールが形成される。

酸化物１ｄが予め形成されていない場合、リフロー炉で加熱する際に、溶融したはんだ２が接合部の外側にはみ出して、例えば、他のはんだと接合すると、半導体モジュールとしての機能が損なわれ、あるいは機能しなくなる場合がある。一方、本実施の形態では、接合部の各々を連続的に囲むように予め酸化物１ｄを形成しておくため、酸化物１ｄによって、溶融したはんだ２のはみ出しを防止することができる。つまり、本実施の形態においては、酸化物１ｄがソルダーレジストとしての機能を発揮する。

なお、金属パターン１ｃの表面にＮｉまたはＮｉを含む合金によるめっきが施されていない場合、リフロー炉で加熱する際に、金属パターン１ｃが酸化されて変色する。本実施の形態では、金属パターン１ｃの表面にＮｉまたはＮｉを含む合金によりめっきが施されているため、酸化による変色が防止される。また、めっきを施すことにより、はんだによる接合を行う際に、はんだ付け性が向上する。

また、金属パターン１ｃ上に酸化物１ｄを形成する工程において、刻印の温度は、はんだ付け温度よりも高温で、かつフラックスの活性作用によりはんだ２が濡れないような強固な酸化物１ｄが生成される温度であり、例えば、好ましくは、５００℃程度が必要である。

また、本実施の形態において、金属パターン１ｃの表面を部分的に加熱する手段として、加熱された刻印を用いるが、刻印による加熱は、短時間に一括して部分的な加熱を行う手段として適している。短時間で加熱処理を行うため、必要な範囲以外には酸化物が形成されずない。また、短時間の加熱で酸化物の形成を行うことができるため、生産性が向上する。

また、酸化物１ｄのパターンが異なる半導体モジュールを製造する場合は、その酸化物のパターンに対応する掘り込みの形状を有する刻印を用意する。刻印の掘り込みは機械加工で形成するため、直線だけでなく、曲線の掘り込みも自由に形成することが可能であり、例えば、モジュール端子４の周囲を囲む酸化物１ｄに対応するような、丸やその他異形の掘り込み形状も簡単に形成することができる。よって、いろいろなパターンの酸化物１ｄを形成することが可能である。

＜効果＞
本実施の形態に係る半導体モジュールは、金属ベース板１ａと、金属ベース板１ａ上に形成された絶縁層１ｂと、絶縁層１ｂ上に形成された金属パターン１ｃと、金属パターン１ｃに電気的に接合された半導体素子３と、金属パターン１ｃに電気的に接合されたモジュール端子４と、金属パターン１ｃ上の、金属パターン１ｃと半導体素子３の接合部の周辺および金属パターン１ｃとモジュール端子４の接合部の周辺に形成された酸化物１ｄと、を備え、金属パターン１ｃと半導体素子３、および金属パターン１ｃとモジュール端子４は、はんだ２により接合され、酸化物１ｄは、加熱された刻印にて金属パターン１ｃを加熱することにより、一括に形成されることを特徴とする。

従って、金属パターン１ｃと半導体素子３のはんだ接合を行う工程、および金属パターン１ｃとモジュール端子４のはんだ接合を行う工程よりも前の工程で、酸化物１ｄが形成されていれば、半導体素子３およびモジュール端子４のはんだ接合を行う際に、溶融したはんだ２が接合部の外側にはみ出すことを酸化物１ｄにより防止することができる。また、酸化物１ｄは、加熱された刻印にて金属パターン１ｃを加熱することにより一括に形成される。よって、ソルダーレジストの形成に比べて、短時間、低コストで酸化物１ｄを形成することが可能である。以上より、はんだの接合精度の高い半導体モジュールを低コストで得ることが可能である。

本実施の形態に係る半導体モジュールにおいて、金属パターン１ｃの材質は、銅または銅を含む合金であることを特徴とする。

従って、金属パターン１ｃの材質を、銅または銅を含む合金とすることで、半導体素子３、特にＩＧＢＴチップ３ａのオン、オフによる発熱を効果的に放熱することが可能であり、性能の良い半導体モジュールが得られる。

また、本実施の形態に係る半導体モジュールにおいて、酸化物１ｄは、金属パターン１ｃと半導体素子３の接合部、および金属パターン１ｃとモジュール端子４の接合部をそれぞれ連続的に囲んで形成されることを特徴とする。

従って、金属パターン１ｃと半導体素子３のはんだ接合を行う工程、および金属パターン１ｃとモジュール端子４のはんだ接合を行う工程よりも前の工程で、酸化物１ｄが形成されていれば、半導体素子３およびモジュール端子４のはんだ接合を行う際に、溶融したはんだ２が接合部の外側にはみ出すことを、それぞれの接合部を連続的に囲んで形成された酸化物１ｄにより、より確実に防止することができる。

また、本実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法は、金属ベース板１ａの上に絶縁層１ｂを介して金属パターン１ｃが形成された金属基板１を準備する工程（ａ）と、金属パターン１ｃに半導体素子３をはんだ２で接合する工程（ｂ）と、金属パターン１ｃにモジュール端子４をはんだ２で接合する工程（ｃ）と、工程（ｂ）および（ｃ）の前に、金属パターン１ｃ上の、金属パターン１ｃと半導体素子３の接合部の周辺および金属パターン１ｃとモジュール端子４の接合部の周辺に、加熱された刻印にて金属パターン１ｃを加熱することにより酸化物１ｄを一括に形成する工程（ｄ）とを備える。

従って、金属パターン１ｃと半導体素子３の接合部の周辺および金属パターン１ｃとモジュール端子４の接合部の周辺に予め酸化物１ｄを形成した後で、金属パターン１ｃに半導体素子３をはんだ２で接合する工程および金属パターン１ｃにモジュール端子４をはんだ２で接合する工程を行うため、はんだ２による接合の際に、溶融したはんだ２が接合部の外側にはみ出すことを、酸化物１ｄにより防止することができる。

また、酸化物１ｄは、加熱された刻印にて金属パターン１ｃを加熱して一括に形成されるため、ソルダーレジストを形成する場合と比較して、短時間、低コストでソルダーレジストと同様の機能を発揮する酸化物１ｄを形成することができる。よって、はんだ接合の精度の高い半導体モジュールを低コストで製造することが可能である。また、はんだ接合の精度が高まることにより、歩留まりが向上する。また、短時間で酸化物１ｄの形成が可能なため、生産性も向上する。

また、本実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法において、金属ベース板１ａの上に絶縁層１ｂを介して金属パターン１ｃが形成された金属基板１を準備する工程は、金属パターン１ｃの表面にＮｉまたはＮｉを含む合金によりめっきを施す工程をさらに備える。

従って、金属パターン１ｃの表面に、ＮｉまたはＮｉを含む合金によりめっきを施しておくことで、リフロー炉で加熱する際に、金属パターン１ｃの酸化および変色を防ぐことが可能である。また、はんだ付け性も向上する。

また、本実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法において、酸化物１ｄは、金属パターン１ｃと半導体素子３の接合部、および金属パターン１ｃとモジュール端子４の接合部をそれぞれ連続的に囲んで形成されることを特徴とする。

従って、接合部の各々は、酸化物１ｄによって連続的に囲まれるため、はんだ２による接合を行う際に、溶融したはんだ２が接合部の外側にはみ出すことを、より確実に防止することが可能である。

＜変形例＞
本実施の形態における半導体モジュールの変形例の平面図を図２に示す。図２において、酸化物１ｄは、金属パターン１ｃと半導体素子３の接合部、および金属パターン１ｃとモジュール端子４の接合部をそれぞれ断続的に囲んで形成されている。その他は図１と同じであるので、説明を省略する。

酸化物１ｄの形成は、前述したように、加熱された刻印を金属パターン１ｃに押し当てることにより行われる。なお、刻印は、図２の酸化物１ｄのパターンに対応した形状に掘り込み加工されている。

図２のように、金属パターン１ｃと半導体素子３モジュールの接合部、金属パターン１ｃとモジュール端子４の接合部のそれぞれを断続的に囲むように酸化物１ｄを形成した場合であっても、酸化物１ｄの途切れる間隔が、溶融したはんだがはみ出さない程度に狭ければ、図１のように接合部の各々を連続的に囲んで形成した場合と同様に、ソルダーレジストと同様の機能を発揮して、溶融したはんだのはみ出しを抑制することができる。

また、図３（ａ）に示すように、接合部を連続的に囲んだ酸化物１ｄの一部が途切れている場合や、図３（ｂ）に示すように、接合部を連続的に囲んだ酸化物１ｄが複数の箇所において途切れている場合であっても、図２の場合と同様に、接合部から溶融したはんだ２がはみ出すことを抑制することができる。

また、図３（ｃ）に示すように、接合部を連続的に囲んだ酸化物１ｄの幅が一定でない場合であっても、溶融したはんだ２のはみ出しを防止することができる。

本実施の形態に係る半導体モジュールの変形例において、酸化物１ｄは、金属パターン１ｃと半導体素子３の接合部、および金属パターン１ｃとモジュール端子４の接合部をそれぞれ断続的に囲んで形成されることを特徴とする。

従って、金属パターン１ｃと半導体素子３のはんだ接合、および金属パターン１ｃとモジュール端子４のはんだ接合を行う工程よりも前の工程で、酸化物１ｄが形成されていれば、半導体素子３およびモジュール端子４のはんだ接合を行う際に、溶融したはんだ２が接合部の外側にはみ出すことを、それぞれの接合部を断続的に囲んで形成された酸化物１ｄにより抑制することができる。

また、本実施の形態に係る半導体モジュールの変形例の製造方法において、酸化物１ｄは、金属パターン１ｃと半導体素子３の接合部、および金属パターン１ｃとモジュール端子４の接合部をそれぞれ断続的に囲んで形成されることを特徴とする。

従って、接合部の各々を酸化物１ｄにより断続的に囲んで形成した場合であっても、酸化物１ｄの途切れる間隔が、溶融したはんだがはみ出さない程度に狭ければ、はんだのはみ出しを抑制することが可能である。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 金属基板、１ａ 金属ベース板、１ｂ 絶縁層、１ｃ 金属パターン、１ｄ 酸化物、２ はんだ、３ 半導体素子、３ａ ＩＧＢＴチップ、３ｂ ダイオードチップ、４ モジュール端子。

Claims (4)

1. （ａ）金属ベース板の上に絶縁層を介して金属パターンが形成された金属基板を準備する工程と、
   （ｂ）前記金属パターンに半導体素子をはんだで接合する工程と、
   （ｃ）前記金属パターンにモジュール端子をはんだで接合する工程と、
   （ｄ）前記工程（ｂ）および（ｃ）の前に、前記金属パターン上の、前記金属パターンと前記半導体素子の接合部の周辺および前記金属パターンと前記モジュール端子の接合部の周辺に、加熱された刻印にて前記金属パターンを加熱することにより酸化物を一括に形成する工程と、
   を備える、
   半導体モジュールの製造方法。
2. 前記工程（ａ）は、前記金属パターンの表面にＮｉまたはＮｉを含む合金によりめっきを施す工程をさらに備える、
   請求項１に記載の半導体モジュールの製造方法。
3. 前記酸化物は、前記金属パターンと前記半導体素子の接合部、および前記金属パターンと前記モジュール端子の接合部をそれぞれ連続的に囲んで形成されることを特徴とする、
   請求項１または２に記載の半導体モジュールの製造方法。
4. 前記酸化物は、前記金属パターンと前記半導体素子の接合部、および前記金属パターンと前記モジュール端子の接合部をそれぞれ断続的に囲んで形成されることを特徴とする、
   請求項１または２に記載の半導体モジュールの製造方法。

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