知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
▶ 株式会社デンソーの特許一覧 ▶ トヨタ自動車株式会社の特許一覧 ▶ 株式会社ミライズテクノロジーズの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024174656
(43)【公開日】2024-12-17
(54)【発明の名称】半導体装置および半導体装置の製造方法
(51)【国際特許分類】
H01L 23/40 20060101AFI20241210BHJP
【ＦＩ】
H01L23/40 F
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023092594
(22)【出願日】2023-06-05
(71)【出願人】
【識別番号】000004260
【氏名又は名称】株式会社デンソー
(71)【出願人】
【識別番号】000003207
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】520124752
【氏名又は名称】株式会社ミライズテクノロジーズ
(74)【代理人】
【識別番号】110001128
【氏名又は名称】弁理士法人ゆうあい特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】田添 忠徳
【テーマコード（参考）】
5F136
【Ｆターム（参考）】
5F136BB09
5F136BC02
5F136DA05
5F136EA13
5F136EA40
5F136FA03
(57)【要約】
【課題】半導体素子にはんだ形状制御部材を設けずとも、半導体素子と金属部材とを接合するはんだのフィレット形状が制御された半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体素子３にはんだ４２を配置し、はんだ４２上に上面５ａ、下面５ｂおよび側面５ｃを有する金属部材５の下面５ｂを接触するように載せる。はんだ４２を溶融させた状態で半導体素子３と金属部材５との距離をはんだ４２の溶融前よりも大きくし、この状態を維持したままはんだ４２を固化させる。これにより、はんだ４２が厚み方向における中心に向かって凹んだ円弧形状となり、はんだ４２のうち半導体素子３に接する部分のフィレット角が所定未満となるため、半導体素子３にかかる応力が緩和された半導体装置を製造できる。
【選択図】図４Ｃ
【解決手段】半導体素子３にはんだ４２を配置し、はんだ４２上に上面５ａ、下面５ｂおよび側面５ｃを有する金属部材５の下面５ｂを接触するように載せる。はんだ４２を溶融させた状態で半導体素子３と金属部材５との距離をはんだ４２の溶融前よりも大きくし、この状態を維持したままはんだ４２を固化させる。これにより、はんだ４２が厚み方向における中心に向かって凹んだ円弧形状となり、はんだ４２のうち半導体素子３に接する部分のフィレット角が所定未満となるため、半導体素子３にかかる応力が緩和された半導体装置を製造できる。
【選択図】図４Ｃ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体素子（３）と、上面（５ａ）、下面（５ｂ）および前記上面と前記下面との間の面である側面（５ｃ）を有し、前記半導体素子と対向する部分の平面サイズが前記半導体素子よりも小さい金属部材（５）とを用意することと、
前記半導体素子にはんだ（４２）を配置し、前記半導体素子のうち前記はんだが配置される面の外郭内側に前記金属部材を配置するとともに、前記はんだに前記金属部材の前記下面を接触するように載せることと、
前記はんだを溶融させた状態における前記金属部材と前記半導体素子との距離を前記はんだの溶融前よりも大きくすることと、
前記距離を前記はんだの溶融前よりも大きくしたままの状態で前記はんだを固化させることと、を含む半導体装置の製造方法。
前記半導体素子にはんだ（４２）を配置し、前記半導体素子のうち前記はんだが配置される面の外郭内側に前記金属部材を配置するとともに、前記はんだに前記金属部材の前記下面を接触するように載せることと、
前記はんだを溶融させた状態における前記金属部材と前記半導体素子との距離を前記はんだの溶融前よりも大きくすることと、
前記距離を前記はんだの溶融前よりも大きくしたままの状態で前記はんだを固化させることと、を含む半導体装置の製造方法。
【請求項2】
リードフレーム（７）を用意することと、
前記リードフレームにはんだ（４３）を介して前記金属部材の前記上面を接触するように載せることと、
はんだを介して接続された前記半導体素子、前記金属部材および前記リードフレームを有してなるワークを乗せる台座（１０１）と、前記リードフレームを支える複数の支柱（１０２）とを有する治具（１００）を用意することと、をさらに含み、
前記距離を大きくすることにおいては、前記ワークを前記治具にセットし、複数の前記支柱を伸ばして前記リードフレームを持ち上げることにより行う、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記リードフレームにはんだ（４３）を介して前記金属部材の前記上面を接触するように載せることと、
はんだを介して接続された前記半導体素子、前記金属部材および前記リードフレームを有してなるワークを乗せる台座（１０１）と、前記リードフレームを支える複数の支柱（１０２）とを有する治具（１００）を用意することと、をさらに含み、
前記距離を大きくすることにおいては、前記ワークを前記治具にセットし、複数の前記支柱を伸ばして前記リードフレームを持ち上げることにより行う、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項3】
リードフレーム（７）を用意することと、
前記リードフレームにはんだ（４３）を介して前記金属部材の前記上面を接触するように載せることと、
はんだを介して接続された前記半導体素子、前記金属部材および前記リードフレームを有してなるワークを乗せる台座（１０１）と、前記リードフレームを支える複数の支柱（１０２）とを有する治具（１００）を用意することと、
前記台座に前記はんだを溶融させるときに膨張し、前記はんだを固化するときに収縮する熱伸縮部材（１１０）を配置し、前記熱伸縮部材の上に前記ワークを乗せること、をさらに含み、
前記距離を大きくすることにおいては、複数の前記支柱により前記リードフレームを支えたまま、前記熱伸縮部材を収縮させることにより行う、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記リードフレームにはんだ（４３）を介して前記金属部材の前記上面を接触するように載せることと、
はんだを介して接続された前記半導体素子、前記金属部材および前記リードフレームを有してなるワークを乗せる台座（１０１）と、前記リードフレームを支える複数の支柱（１０２）とを有する治具（１００）を用意することと、
前記台座に前記はんだを溶融させるときに膨張し、前記はんだを固化するときに収縮する熱伸縮部材（１１０）を配置し、前記熱伸縮部材の上に前記ワークを乗せること、をさらに含み、
前記距離を大きくすることにおいては、複数の前記支柱により前記リードフレームを支えたまま、前記熱伸縮部材を収縮させることにより行う、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項4】
前記距離を大きくすることにおいては、前記金属部材を直接持ち上げることにより行う、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項5】
前記距離を大きくする前に、前記距離を前記はんだの溶融前よりも小さくし、前記はんだを前記側面に付着させること、をさらに含む、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項6】
前記金属部材を用意することにおいては、前記側面と前記下面とを繋ぐ部分に、前記側面および前記下面とは異なる平面または湾曲面とされたはんだ誘導部（５１）が形成されたものを用意する、請求項１ないし５のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項7】
前記金属部材を用意することにおいては、前記側面のうち前記下面の端部側に凹部とされたはんだ誘導部（５１）が形成されたものを用意する、請求項１ないし５のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項8】
半導体装置であって、
半導体素子（３）と、
上面（５ａ）、下面（５ｂ）および前記上面と前記下面との間の面である側面（５ｃ）を有し、前記半導体素子よりも平面サイズが小さい金属部材（５）と、
前記半導体素子と前記金属部材の前記下面とを接合するはんだ（４）と、を備え、
前記金属部材は、前記半導体素子のうち前記はんだが配置される面の外郭内側に配置されており、
前記はんだは、外郭の一部が前記側面よりも前記金属部材の内側に入り込むとともに、前記側面の少なくとも一部を覆っている、半導体装置。
半導体素子（３）と、
上面（５ａ）、下面（５ｂ）および前記上面と前記下面との間の面である側面（５ｃ）を有し、前記半導体素子よりも平面サイズが小さい金属部材（５）と、
前記半導体素子と前記金属部材の前記下面とを接合するはんだ（４）と、を備え、
前記金属部材は、前記半導体素子のうち前記はんだが配置される面の外郭内側に配置されており、
前記はんだは、外郭の一部が前記側面よりも前記金属部材の内側に入り込むとともに、前記側面の少なくとも一部を覆っている、半導体装置。
【請求項9】
前記金属部材は、前記側面と前記下面とを繋ぐ部分に、前記側面および前記下面とは異なる平面または湾曲面とされたはんだ誘導部（５１）が形成されている、請求項８に記載の半導体装置。
【請求項10】
前記金属部材は、前記側面のうち前記下面の端部側に凹部とされたはんだ誘導部（５１）が形成されている、請求項８に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、半導体素子にはんだを介して金属部材が接合された構成の半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、この種の半導体装置では、金属部材と半導体素子とを接合するはんだのうち半導体素子に接する部分における盛り上がりの形状、すなわちフィレット形状が半導体素子の信頼性に影響を及ぼすことが知られている。具体的には、例えば、はんだが接続対象である金属部材のうち半導体素子の表面と向き合う面からはみ出し、その側面を這い上がることで、フィレット形状は、半導体素子の表面と金属部材の側面とを略直線的に繋ぐ状態となることがある。はんだのフィレット形状がこのような状態になると、半導体素子にかかる応力が大きくなり、信頼性が低下してしまう。このような信頼性低下を抑制する半導体装置としては、例えば特許文献１に記載のものが知られている。
【0003】
特許文献１に記載の半導体装置は、半導体素子のうちはんだ接合がされる領域を囲む絶縁性材料からなるはんだ形状制御部材が配置されており、はんだのフィレット形状が制御されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０１２－１６４８８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、特許文献１に記載の半導体装置は、半導体素子に予めはんだ形状制御部材を形成しなければならず、製造コストの増大が懸念される。このため、より簡便にはんだのフィレット形状を制御することが求められる。
【0006】
本開示は、上記の点に鑑み、半導体素子にはんだ形状制御部材を設けずとも、半導体素子と金属部材とがはんだ接合され、はんだが半導体素子にかかる応力を緩和されたフィレット形状に制御された半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本開示の１つの観点によれば、半導体装置の製造方法は、半導体素子（３）と、上面（５ａ）、下面（５ｂ）および上面と下面との間の面である側面（５ｃ）を有し、半導体素子と対向する部分の平面サイズが半導体素子よりも小さい金属部材（５）とを用意することと、半導体素子にはんだ（４１）を配置し、半導体素子のうちはんだが配置される面の外郭内側に金属部材を配置するとともに、はんだに金属部材の下面を接触するように載せることと、はんだを溶融させた状態における金属部材と半導体素子との距離をはんだの溶融前よりも大きくすることと、当該距離をはんだの溶融前よりも大きくしたままの状態ではんだを固化させることと、を含む。
【0008】
これによれば、半導体素子および金属部材の２つの部材間にはんだを配置し、当該はんだを溶融させた状態で２つの部材の距離を相対的に大きく維持したまま、当該はんだを固化させる半導体装置の製造方法となる。このため、溶融はんだの外郭の一部が表面張力により金属部材の側面よりも内側に凹んだ状態となるとともに、はんだがこの状態のままで固化することとなり、はんだのフィレット形状を緩やかに金属部材側に立ち上がったものに制御することが容易となる。よって、半導体素子にはんだ形状制御部材を設けることなく、より簡便にはんだのフィレット形状が制御された半導体装置を製造することができる。
【0009】
本開示の別の１つの観点によれば、半導体装置は、半導体素子（３）と、上面（５ａ）、下面（５ｂ）および上面と下面との間の面である側面（５ｃ）を有し、半導体素子と対向する部分の平面サイズが半導体素子よりも小さい金属部材（５）と、半導体素子と金属部材の下面とを接合するはんだ（４）と、を備え、金属部材は、半導体素子のうちはんだが配置される面の外郭内側に配置されており、はんだは、外郭の一部が側面よりも金属部材の内側に入り込むとともに、側面の少なくとも一部を覆っている。
【0010】
この半導体装置は、半導体素子と金属部材との間のはんだのうち余剰部分が金属部材の側面に付着することで、半導体素子と金属部材との間のはんだ量が調整された結果、はんだの外郭の一部が金属部材の側面よりも内側に入り込んでいる。このため、この半導体装置は、はんだのフィレット形状が緩やかに金属部材側に立ち上がるものとなり、半導体素子にかかる応力が緩和された構造となる。
【0011】
なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】第１実施形態の半導体装置の一例を示す断面図である。
【図4A】第１実施形態の半導体装置における半導体素子と金属部材とのはんだ接合において、はんだ量が所定以下の場合の第１工程を示す断面図である。
【図5A】第１実施形態の半導体装置における半導体素子と金属部材とのはんだ接合において、はんだ量が多い場合の第１工程を示す断面図である。
【図6】第２はんだとして高温はんだを用いる場合のはんだ接合工程を示す断面図である。
【図7】第１ないし第３はんだとして同一材料を用いる場合のはんだ接合工程を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本開示の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
【0014】
（第１実施形態）
第１実施形態の半導体装置１について、図面を参照して説明する。
第１実施形態の半導体装置１について、図面を参照して説明する。
【0015】
〔基本構成例〕
本実施形態の半導体装置１は、例えば図１に示すように、半導体素子３と、金属部材５と、これらを接合するはんだ４とを備える。半導体装置１は、例えば、半導体素子３としてパワー半導体素子を有し、半導体素子３の両面にはんだ４を介して放熱部材が接続された両面放熱モジュール等のパワー半導体装置に適用されると好適であるが、勿論、他のデバイスとして構成されてもよい。本明細書では、限定するものではないが、半導体装置１が両面放熱モジュールとして構成された場合を代表例として説明する。
本実施形態の半導体装置１は、例えば図１に示すように、半導体素子３と、金属部材５と、これらを接合するはんだ４とを備える。半導体装置１は、例えば、半導体素子３としてパワー半導体素子を有し、半導体素子３の両面にはんだ４を介して放熱部材が接続された両面放熱モジュール等のパワー半導体装置に適用されると好適であるが、勿論、他のデバイスとして構成されてもよい。本明細書では、限定するものではないが、半導体装置１が両面放熱モジュールとして構成された場合を代表例として説明する。
【0016】
半導体装置１は、例えば両面放熱モジュールとされる場合、上記の構成部材に加えて、第１リードフレーム２と、ワイヤ６と、第２リードフレーム７と、モールド樹脂８とを有した構成とされる。半導体装置１は、リードフレーム２、７が半導体素子３および金属部材５を挟んだ両側に配置され、第１リードフレーム２が半導体素子３の裏面３ｂに、第２リードフレーム７が金属部材５を介して半導体素子３の表面３ａに、それぞれ接続されている。半導体装置１は、リードフレーム２、７の一部、半導体素子３、はんだ４、金属部材５、およびワイヤ６がモールド樹脂８に封止されるとともに、リードフレーム２、７のうち半導体素子３とは反対側の面がモールド樹脂８から露出した両面放熱構造となっている。
【0017】
第１リードフレーム２は、例えば、Ｃｕ（銅）やＦｅ（鉄）等の金属やその合金などの導電性材料で構成され、プレス打ち抜き等により形成される。第１リードフレーム２は、例えば、ヒートシンク２１と、ヒートシンク２１から延設された第１端子２２と、ヒートシンク２１から独立した第２端子２３とを有してなる。第１リードフレーム２は、ヒートシンク２１の一面２１ａにはんだ４を介して半導体素子３が接合され、ヒートシンク２１の他面２１ｂがモールド樹脂８から露出している。第１リードフレーム２は、第１端子２２および第２端子２３がモールド樹脂８の側面から突出しており、端子２２、２３を介して半導体素子３と電気的な接続が可能となっている。
【0018】
半導体素子３は、例えば、表面３ａおよび裏面３ｂを有する板状とされ、Ｓｉ（シリコン）やＳｉＣ（炭化珪素）等の半導体材料を主に構成される。半導体素子３は、例えば、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴ等のパワー半導体素子とされ、公知の半導体プロセスにより製造される。なお、ＩＧＢＴとはInsulated Gate Bipolar Transistorの略称であり、ＭＯＳＦＥＴとはMetal Oxide Semiconductor Field Effect Transistorの略称である。半導体素子３は、例えば、表面３ａには図示しないゲート電極およびエミッタ電極もしくはソース電極が、裏面３ｂには図示しないコレクタ電極もしくはドレイン電極が、それぞれ形成された構成となっている。半導体素子３は、表面３ａ側がはんだ４を介して金属部材５に、ワイヤ６を介して第２端子２３に、裏面３ｂ側がはんだ４を介してヒートシンク２１に、それぞれ接続されている。
【0019】
半導体素子３は、例えば図２に示すように、半導体基板３１と、ポリイミド等の絶縁性材料で構成された絶縁膜３２と、Ａｌ（アルミニウム）等の導電性材料で構成された電極膜３３と、Ｎｉ（ニッケル）等の導電性材料で構成されためっき膜３４とを備える。半導体素子３は、所定のパターン形状とされた絶縁膜３２の開口部において電極膜３３が絶縁膜３２から露出するとともに、電極膜３３上にめっき膜３４が積層された構成となっている。半導体素子３は、例えば、めっき膜３４がはんだ４を介して金属部材５と接合されている。
【0020】
はんだ４は、Ｓｎ（錫）を主成分とする接合材料で構成され、半導体装置１の構成部材間の接合に用いられる。以下、説明の便宜上、はんだ４のうち第１リードフレーム２と半導体素子３とを接合するものを「第１はんだ４１」と称し、半導体素子３と金属部材５とを接合するものを「第２はんだ４２」と称する。また、はんだ４のうち金属部材５と第２リードフレーム７とを接合するものを「第３はんだ４３」と称する。第１はんだ４１ないし第３はんだ４３は、同一材料であってもよいし、異なる材料であってもよい。少なくとも第２はんだ４２は、半導体素子３への応力集中を緩和して信頼性を向上させるため、例えば図２に示すように、後述する半導体素子３と金属部材５の接合工程によりその端部が厚み方向の中央に向かって括れた形状となっている。以下、図２に示すように、第２はんだ４２の外郭のうち半導体素子３に接する端部を単に「フィレット」と称し、フィレットと半導体素子３の接合表面（例えばめっき膜３４）とのなす角度を「フィレット角α」と称する。
【0021】
金属部材５は、例えば、Ｃｕ等の金属やその合金等の導電性材料で構成され、半導体素子３と第２リードフレーム７との間に配置され、これらのそれぞれにはんだ４を介して接合される部材である。金属部材５は、半導体素子３と第２リードフレーム７とを電気的に接続するとともに、半導体素子３と第２リードフレーム７との隙間を所定以上に確保し、ワイヤ６が第２リードフレーム７に接触することを抑制する役割を果たす。金属部材５は、「金属ブロック」や「ターミナル」などとも称されうる。金属部材５は、例えば、半導体素子３のうち第２はんだ４２が配置される表面３ａの外郭内側に収まる平面サイズとされる。言い換えると、表面３ａに対する法線方向から見て、金属部材５は、例えば、半導体素子３よりも平面サイズが小さく、金属部材５の全域が半導体素子３の表面３ａ内に収まるように配置される。
【0022】
なお、図１や図２などでは、金属部材５の全体の平面サイズが半導体素子３よりも小さい場合を代表例として示しているが、これに限定されるものではない。例えば、金属部材５は、少なくとも半導体素子３と対向する部分、すなわち接続部分の平面サイズが半導体素子３よりも小さく、接続部分以外の部分の平面サイズが半導体素子３よりも大きい構成であってもよい。具体的には、例えば、金属部材５は、リードフレームのように半導体素子３よりも平面サイズが大きく、かつ半導体素子３よりも平面サイズが小さい突起状の接続部分を有し、当該接続部分が半導体素子３の外郭内側に配置された状態で接合されてもよい。
【0023】
金属部材５は、例えば、矩形の板状部材である。以下、説明の便宜上、金属部材５の表面のうち第２リードフレーム７側の面を「上面５ａ」と称し、その反対面を「下面５ｂ」と称し、上面５ａと下面５ｂとの間の面を「側面５ｃ」と称する。金属部材５は、後述する製造工程により、側面５ｃのうち下面５ｂ側の端部を含む少なくとも一部が第２はんだ４２により覆われている。
【0024】
ワイヤ６は、例えば、Ａｕ（金）等の導電性材料で構成される。ワイヤ６は、ワイヤボンディングにより半導体素子３の表面３ａに形成された図示しない電極部および端子２２に接続され、これらを電気的に接続する。
【0025】
第２リードフレーム７は、第１リードフレーム２と同様の導電性材料により構成されており、プレス打ち抜き加工等により形成される。第２リードフレーム７は、半導体素子３および金属部材５を挟んで、第１リードフレーム２の反対側に配置されている。第２リードフレーム７は、半導体素子３とは反対側の一面７ａがモールド樹脂８から露出するとともに、一面７ａとは反対側の他面７ｂがはんだ４を介して金属部材５の上面５ａに接合されている。第２リードフレーム７は、例えば、金属部材５にはんだ接合される部位がヒートシンクとされるとともに、図示しない端子を有した構成とされる。
【0026】
モールド樹脂８は、例えば、エポキシ樹脂などの熱硬化性の樹脂材料により構成され、図示しない金型を用いたコンプレッション成形等の任意の樹脂成形法により形成される。
【0027】
以上が、両面放熱モジュールとされた場合の半導体装置１の基本的な構成である。半導体装置１は、半導体素子３と金属部材５とをはんだ４により接合する際にこれらの距離調整される簡便な工程により、第２はんだ４２のフィレット角αが制御された構造となっている。
【0028】
〔はんだのフィレット角制御〕
次に、本実施形態の半導体装置１の製造における半導体素子３と金属部材５との接合工程およびこれによるフィレット角αの制御について説明する。
次に、本実施形態の半導体装置１の製造における半導体素子３と金属部材５との接合工程およびこれによるフィレット角αの制御について説明する。
【0029】
まず、半導体素子３と金属部材１０とを従来のはんだ接合工程により得られる比較例の半導体装置およびその課題について説明する。
【0030】
従来のはんだ接合では、半導体素子３の絶縁膜３２に囲まれためっき膜３４にはんだ４を塗布した後、はんだ４上に例えば金属部材１０として直方体の金属ブロックをマウントし、はんだ４を加熱・固化することで、半導体素子３と金属部材１０とを接合する。金属部材１０は、半導体素子３のめっき膜３４よりも平面サイズが小さく、かつめっき膜３４の外郭内側にすべて収まるように配置され、はんだ４により接合固定される。比較例の半導体装置は、例えば図３に示すように、金属部材１０のうちめっき膜３４と向き合う下面１０ａの全域とめっき膜３４とがはんだ４により接合される。
【0031】
比較例の半導体装置では、はんだ４は、外表面が金属部材１０のうち下面１０ａに隣接する側壁面１０ｂの端部と半導体素子３の表面とを略直線状に繋ぐ形状となり、フィレット角αが大きくなる。この場合、図３に白抜き矢印で示すように、はんだ４に起因する応力Ｆ１が半導体素子３のめっき膜３４に作用するとともに、フィレット角αが大きいため、応力Ｆ１の向きは、より上向きとなる。本発明者らの実験によれば、比較例の半導体装置は、特に絶縁膜３２、電極膜３３およびめっき膜３４の３つの境界が重なる点（以下「三重点」という）にはんだ４に起因する応力Ｆ１が集中し、三重点を起点とするクラックＣが生じることが判明した。このクラックＣが生じると、半導体素子３にクラックＣが進展し、半導体装置の信頼性が低下してしまう。
【0032】
このような三重点を起点とするクラックＣの発生を抑制するためには、はんだ４のフィレット角αを小さくすること、すなわちはんだ４の外表面である端部の形状が厚み方向の中心に向かって括れた状態にすることが有効である。これにより、例えば図２に示すように、三重点に作用する応力Ｆ１の向きが比較例に比べて下向きとなり、クラックＣの発生を抑制することができる。そこで、本実施形態の半導体装置１は、半導体素子３と金属部材５とを次に説明する工程により接合することで、フィレット角αが小さくなるように第２はんだ４２の形状が制御されている。
【0033】
【0034】
なお、図４Ｂでは、金属部材５の持ち上げ前における金属部材５および第２はんだ４２の外郭を破線で示すとともに、持ち上げによる位置の変化方向を白抜き矢印で示している。図４Ｃでは、第２はんだ４２の固化前における外郭を破線で示すとともに、当該外郭の変化の方向を白抜き矢印で示している。図４Ａないし図４Ｃでは、見易くするため、半導体素子３の裏面３ｂ側に接続される部材については省略している。これは、後述する図５Ａないし図５Ｄについても同様である。
【0035】
まず、例えば図４Ａに示すように、半導体素子３のめっき膜３４に第２はんだ４２を塗布し、第２はんだ４２上に金属部材５を載置する。第２はんだ４２は、この時点では溶融しておらず、半導体素子３と接する部分のフィレット角をα０として、α０がαよりも大きい状態となっている。以下、説明の便宜上、第２はんだ４２の溶融前における半導体素子３と金属部材５との距離をＤ０とする。距離Ｄ０は、半導体素子３の厚み方向、すなわち半導体素子３の表面に対する法線方向に沿った半導体素子３と金属部材５との距離ともいえる。
【0036】
続けて、例えば図４Ｂに示すように、第２はんだ４２を溶融させ、金属部材５を図示しない治具などを用いて持ち上げることにより、半導体素子３と金属部材５との距離をＤ０よりも大きいＤ１とする。これにより、第２はんだ４２は、半導体素子３側から金属部材５側に引っ張られた状態となる。なお、治具は、例えば、金属部材５の上面５ａを真空吸着する吸着機構を備える吸着治具であってもよいし、金属部材５の上面５ａに接続されるリードフレーム７などを持ち上げる後述の治具１００等を用いて金属部材５を間接的に持ち上げるものであってもよい。
【0037】
次いで、例えば図４Ｃに示すように、図４Ｂの状態、すなわち半導体素子３と金属部材５との距離をＤ１で維持したまま、第２はんだ４２を固化させる。これにより、第２はんだ４２は、表面張力および凝固時の収縮により、厚み方向の中心に向かって凹んだ状態となり、略円弧形状のような括れた状態で固化することとなる。この結果、第２はんだ４２は、半導体素子３に接する端部が緩やかに金属部材５に向かって立ち上がる形状となり、フィレット角αがα０よりも小さくなる。
【0038】
第２はんだ４２の量が所定以下である場合には、例えば、上記した工程により第２はんだ４２のフィレット形状を制御することが可能となる。
【0039】
【0040】
第２はんだ４２の量は、半導体装置の製造工程上における不可避の誤差などの要因によりばらつくことがある。はんだ量が多い場合には、金属部材５を持ち上げる前に半導体素子３側に一度押し込む工程を挟むことで、第２はんだ４２のフィレット形状をより安定して制御することが可能となる。
【0041】
まず、例えば図５Ａに示すように、半導体素子３のめっき膜３４に第２はんだ４２を塗布し、第２はんだ４２上に金属部材５を載置するが、はんだ量が多い場合には、半導体素子３と金属部材５との距離は、Ｄ０より大きいＤ２となる。
【0042】
続いて、例えば図５Ｂに示すように、第２はんだ４２を加熱して溶融させ、金属部材５を図示しない治具などにより半導体素子３側に押し込む。このとき、半導体素子３と金属部材５との距離は、Ｄ２よりも小さいＤ３となる。これにより、第２はんだ４２は、下面５ｂよりも外側の領域に押し出され、側面５ｃに余剰部分が付着するとともに、下面５ｂとめっき膜３４との間に位置する部分の量が適正化される。
【0043】
次いで、例えば図５Ｃに示すように、図示しない治具により金属部材５を持ち上げ、半導体素子３と金属部材５との距離をＤ３よりも大きいＤ４とする。これにより、第２はんだ４２は、余剰部分が金属部材５の側面５ｃに付着した状態のまま、下面５ｂとめっき膜３４との間に位置する部分が半導体素子３側から金属部材５に向かって引っ張られることとなる。
【0044】
そして、例えば図５Ｄに示すように、図５Ｃの状態、すなわち半導体素子３と金属部材５との距離をＤ４で維持したまま、第２はんだ４２を固化させる。これにより、第２はんだ４２は、表面張力および凝固時の収縮により、厚み方向の中心に向かって凹んだ状態となり、略円弧形状の括れた状態のまま固化する。
【0045】
第２はんだ４２の量が所定量を超える場合には、例えば、上記した工程のように、一度、金属部材５の側面５ｃに第２はんだ４２の余剰部分を付着させることより、第２はんだ４２のフィレット形状をより安定して制御することが可能となる。なお、Ｄ１やＤ４は、例えば、限定するものではないが、例えば５０μｍ～１５０μｍ程度とされる。
【0046】
〔第一の接合工程を経た製造方法〕
第１はんだ４１、第２はんだ４２に第３はんだ４３よりも融点が高い高温はんだを用いる場合には、例えば図６に示す接合工程により第２はんだ４２の形状制御が可能である。なお、図６では、見易くするため、第１リードフレーム２および半導体素子３を簡略化して示すとともに、金属部材５の持ち上げ方向を太線矢印で示している。
第１はんだ４１、第２はんだ４２に第３はんだ４３よりも融点が高い高温はんだを用いる場合には、例えば図６に示す接合工程により第２はんだ４２の形状制御が可能である。なお、図６では、見易くするため、第１リードフレーム２および半導体素子３を簡略化して示すとともに、金属部材５の持ち上げ方向を太線矢印で示している。
【0047】
第１リードフレーム２を図示しないマウンタ装置で吸着固定し、第１はんだ４１を塗布し、第１はんだ４１上に半導体素子３を載置する。その後、半導体素子３の表面３ａ側に第２はんだ４２を塗布し、金属部材５を第２はんだ４２上に載置する。なお、第１はんだ４１および第２はんだ４２は、はんだ箔を載置する方法により配置されてもよい。続けて、例えば図６に示すように、ワークを加熱し、第１はんだ４１、第２はんだ４２を溶融させ、金属部材５を半導体素子３側に押し込んだ後に図示しない吸着治具により金属部材５を持ち上げる。この状態で溶融させた第１はんだ４１および第２はんだ４２を固化することで、第１はんだ４１および第２はんだ４２が厚み方向における中心に向かって他の部位よりも凹んだ括れ形状となり、フィレット角αが制御された状態で固定される。
【0048】
続けて、半導体素子３にワイヤ６を接続し、第１はんだ４１、第２はんだ４２よりも融点が低いはんだで構成された第３はんだ４３を金属部材５の上面５ａに塗布し、第２リードフレーム７を載置する。そして、第１はんだ４１および第２はんだ４２の融点よりも低い温度で第３はんだ４３を加熱して溶融させた後に固化する。これにより、第１はんだ４１および第２はんだ４２が再溶融することなく、そのフィレット形状が維持される。最後に、樹脂封止を行うことで半導体装置１を製造することができる。
【0049】
〔第二の接合工程を経た製造方法〕
はんだ４１～４３として例えば同一材料のはんだを用いる場合には、例えば図７に示す接合工程により第２はんだ４２の形状制御が可能である。なお、図７では、見易くするため、リードフレーム２、７および半導体素子３を簡略化して示すとともに、ワイヤ６を省略している。また、図７では、第２リードフレーム７および金属部材５の押し込み前における位置を破線で示している。
はんだ４１～４３として例えば同一材料のはんだを用いる場合には、例えば図７に示す接合工程により第２はんだ４２の形状制御が可能である。なお、図７では、見易くするため、リードフレーム２、７および半導体素子３を簡略化して示すとともに、ワイヤ６を省略している。また、図７では、第２リードフレーム７および金属部材５の押し込み前における位置を破線で示している。
【0050】
まず、第１リードフレーム２を図示しないマウンタ装置で吸着固定し、第１はんだ４１を塗布し、第１はんだ４１上に半導体素子３を載置し、第１はんだ４１を加熱して溶融させた後に固化し、第１リードフレーム２と半導体素子３とを接合する。続けて、例えば、半導体素子３にワイヤ６を接合した後に、半導体素子３の表面３ａ側に第２はんだ４２を塗布し、金属部材５を第２はんだ４２上に載置する。次いで、金属部材５の上面５ａに第３はんだ４３を塗布し、第２リードフレーム７を第３はんだ４３上に載置する。なお、第１はんだ４１、第２はんだ４２および第３はんだ４３は、はんだ箔を載置する方法により配置されてもよい。その後、例えば図７に示すように、ワークを加熱し、はんだ４１～４３を溶融させ、図示しない錘等により第２リードフレーム７を介して金属部材５を半導体素子３側に押し込んだ後、後述する治具１００を用いて半導体素子３と金属部材５との距離を大きくする。そして、半導体素子３と金属部材５との距離を大きくしたまま、はんだ４１～４３を固化することにより、はんだ４１～４３が厚み方向における中心に向かって他の部位よりも凹んだ括れ形状となり、フィレット角αが制御された状態で固定される。最後に、樹脂封止を行うことで半導体装置１を製造することができる。
【0051】
次に、治具１００の第一の例について、図８Ａおよび図８Ｂを参照して説明する。なお、図８Ａ、図８Ｂでは、図７と同様に、リードフレーム２、７および半導体素子３を簡略化するとともに、ワイヤ６については省略している。また、図８Ａ、図８Ｂでは、ワークに作用する押し込みなどによる力の方向を白抜き矢印で示している。これらは、後述する図９Ａ、図９Ｂについても同様である。
【0052】
治具１００は、例えば図８Ａに示すように、半導体装置１の製造途中のワークを載せる台座１０１と、台座１０１のうちワークが載せられる領域の周囲に配置される複数の支柱１０２とを備える。治具１００は、例えば、複数の支柱１０２のうち台座１０１から突き出た部分の高さ、すなわち支柱高さが略同一に揃えられている。治具１００は、例えば、複数の支柱１０２の先端面に第２リードフレーム７が載せられるとともに、複数の支柱１０２が第２リードフレーム７を支持する支持体として機能する。治具１００は、例えば、複数の支柱１０２が台座１０１から押し上げられることで、支柱高さを調整することが可能な構成となっている。治具１００は、例えば、第２リードフレーム７が載せられる時点においては、複数の支柱１０２の支柱高さが所定の高さで固定されている。このとき、ワークは、台座１０１側から第１リードフレーム２、第１はんだ４１、半導体素子３、第２はんだ４２、金属部材５、第３はんだ４３および第２リードフレーム７の順に積み上げられた状態となる。そして、このワークは、第２リードフレーム７の一面７ａ側に図示しない錘が載せられることで、金属部材５が第２リードフレーム７を介して半導体素子３側に押され、半導体素子３との距離が小さくされる。
【0053】
治具１００は、例えば図８Ｂに示すように、ワークを加熱し、はんだ４１～４３を溶融させた後に、複数の支柱１０２を押し上げることで支柱高さが当初よりも大きい状態とされる。これにより、ワークは、第２リードフレーム７が持ち上げられるとともに、金属部材５も持ち上げられるため、半導体素子３と金属部材５との距離が第２はんだ４２の溶融前よりも大きい状態となる。そして、治具１００を複数の支柱１０２が押し上げられ、支柱高さが大きくされた状態で維持し、はんだ４１～４３を固化することにより、はんだ４１～４３のフィレット形状が略円弧形状で固定される。このような治具１００を用いることで、半導体素子３に予め前処理等を行うことなく、半導体素子３と金属部材５とを接合する第２はんだ４２のフィレット形状を制御することが可能となる。
【0054】
【0055】
治具１００は、第二の例では、複数の支柱１０２の支柱高さが第一の例よりも高い状態で完全に固定されており、支柱高さが半導体素子３と金属部材５との接合工程において変動しない構成となっている。治具１００は、はんだ４１～４３の溶融時に膨張する熱伸縮部材１１０をさらに備え、熱伸縮部材１１０上にワークが配置される。
【0056】
熱伸縮部材１１０は、例えば、はんだ４１～４３が溶融する加熱時に熱膨張し、はんだ４１～４３が固化する冷却時に熱収縮して元の大きさに戻る所定の材料で構成される。熱伸縮部材１１０は、例えば、亜鉛やアルミニウムなどの金属材料あるいはその合金材料のように、熱膨張率が大きく、かつ少なくともはんだ４１～４３の融点で状態変化しない、すなわちはんだ４１～４３よりも耐熱性が高い任意の材料で構成される。熱伸縮部材１１０は、例えば図９Ａに示すように、はんだ４１～４３を溶融させる加熱工程においては、熱膨張により第１リードフレーム２を第２リードフレーム７側に押し上げ、半導体素子３と金属部材５との距離を小さくする役割を果たす。なお、このとき、複数の支柱１０２の先端面に載置される第２リードフレーム７は、例えば、一面７ａに図示しない錘などが置かれており、熱伸縮部材１１０が熱膨張しているときにその位置が変動しない状態とされる。
【0057】
また、熱伸縮部材１１０は、例えば図９Ｂに示すように、はんだ４１～４３を固化させる冷却工程においては、熱収縮することで、第１リードフレーム２が自重で第２リードフレーム７から離れる状態とする。つまり、熱伸縮部材１１０は、はんだ４１～４３の固化工程においては、第１リードフレーム２を介して半導体素子３と金属部材５との距離を大きくする役割を果たす。これにより、ワークは、はんだ４１～４３の溶融時には半導体素子３と金属部材５との距離が小さくされ、その後のはんだ４１～４３の固化時には当該距離が大きくなるため、はんだ４１～４３のフィレット形状が略円弧形状となる。
【0058】
なお、熱伸縮部材１１０は、例えば、矩形板状とされるが、その形状や寸法については任意であり、はんだ４１～４３の溶融時の加熱温度や当該温度における熱膨張率などに応じて適宜変更される。また、熱伸縮部材１１０は、上記した材料例に限定されるものではなく、はんだ４１～４３よりも耐熱性が高い他の金属材料等で構成されてもよい。
【0059】
本実施形態によれば、半導体素子３と金属部材５とのはんだ接合において、金属部材５を第２はんだ４２が溶融した状態で半導体素子３との距離を大きくし、第２はんだ４２を固化させることで、第２はんだ４２のフィレット形状が制御された半導体装置１となる。つまり、はんだ接合時に半導体素子３と金属部材５との距離を制御することで、第２はんだ４２が凝固して収縮する際に厚み方向における中心に向かって凹んだ円弧状の括れた形状となり、半導体素子３側のフィレット角αが所定未満の小さい形状に制御される。また、第２はんだ４２の量に応じて、半導体素子３と金属部材５とのはんだ接合時に、一度、半導体素子３と金属部材５との距離を小さくすることで、第２はんだ４２の余剰部分を金属部材５の側面５ｃに付着させる。これにより、半導体素子３と金属部材５との間におけるはんだ量を適正化し、第２はんだ４２の形状制御の精度を確保することができる。したがって、半導体素子３にはんだ形状制御部材を設けずとも、第２はんだ４２のうち半導体素子３に接する部分のフィレット角αが所定未満に制御され、半導体素子３にかかる応力が緩和された構成の半導体装置１となる。
【0060】
（第２実施形態）
第２実施形態の半導体装置１について、図面を参照して説明する。
第２実施形態の半導体装置１について、図面を参照して説明する。
【0061】
本実施形態の半導体装置１は、例えば図１０に示すように、金属部材５がはんだ誘導部５１を有する点で上記第１実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点について主に説明する。
【0062】
金属部材５は、本実施形態では、側面５ｃと下面５ｂとを繋ぐ部分がはんだ誘導部５１となっている。はんだ誘導部５１は、例えば、下面５ｂおよび側面５ｃとは異なる面であって、平面形状とされた領域であるが、これに限定されるものではなく、曲面形状を有する湾曲面であってもよいし、複数の面で構成されてもよく、その形状については適宜変更される。はんだ誘導部５１は、金属部材５を半導体素子３とはんだ４で接合する際に、はんだ４の余剰部分が流れ込むスペースとなり、フィレット角αを所定以下にする効果を高める役割を果たす。はんだ誘導部５１は、例えば、切削加工などの任意の方法により形成される。
【0063】
なお、はんだ誘導部５１は、Ａｕフラッシュや迎えはんだ等の処理がなされることで下面５ｂよりもはんだ４の濡れ性が高い状態とされてもよいし、特にはんだ４の濡れ性向上の処理がなされず、はんだ４の濡れ性が下面５ｂと同程度であってもよい。
【0064】
また、はんだ誘導部５１は、その傾斜角度、高さや幅についてははんだ４の余剰部分の体積に応じて適宜変更されうる。ここでいう「傾斜角度」とははんだ誘導部５１のなす平面と下面５ｂとのなす角度であり、「高さ」とは金属部材５の厚み方向に沿ったはんだ誘導部５１の幅であり、「幅」とは金属部材５の平面方向に沿ったはんだ誘導部５１の幅である。また、金属部材５の厚み方向とは上面５ａと下面５ｂとを繋ぐ方向であり、平面方向とは下面５ｂのなす平面に対して平行な方向である。
【0065】
本実施形態によっても、上記第１実施形態と同様の効果が得られる半導体装置１およびその製造方法となる。また、金属部材５がはんだ誘導部５１を有することで、半導体素子３と金属部材５との接合時に第２はんだ４２の余剰部分が流れ込むスペースが生じ、第２はんだ４２が括れ形状になり易くなり、フィレット角αを小さくする制御効果が向上する効果も得られる。
【0066】
（第２実施形態の変形例）
はんだ誘導部５１は、例えば図１１に示すように、下面５ｂと側面５ｃとを繋ぐ平面形状でなく、側面５ｃのうち下面５ｂ側の端部近傍であって、当該端部から離れた位置に設けられた凹部であってもよい。この場合、はんだ誘導部５１は、半導体素子３と金属部材５との接合時において、第２はんだ４２の余剰部分が金属部材５の側面５ｃに濡れ広がった際に余剰部分の一部が流れ込む溝状のスペースとして機能する。そして、はんだ誘導部５１は、第２はんだ４２の余剰部分の調整構造として機能し、第２はんだ４２をより括れ形状になり易くする役割を果たす。はんだ誘導部５１は、側面５ｃに設けられる凹部とされる場合、凹部形状やサイズ等については任意であり、適宜変更されうる。はんだ誘導部５１は、少なくとも側面５ｃのうち金属部材５を半導体素子３側に押し込んだときに溶融した第２はんだ４２が這い上がる範囲内に設けられる。
はんだ誘導部５１は、例えば図１１に示すように、下面５ｂと側面５ｃとを繋ぐ平面形状でなく、側面５ｃのうち下面５ｂ側の端部近傍であって、当該端部から離れた位置に設けられた凹部であってもよい。この場合、はんだ誘導部５１は、半導体素子３と金属部材５との接合時において、第２はんだ４２の余剰部分が金属部材５の側面５ｃに濡れ広がった際に余剰部分の一部が流れ込む溝状のスペースとして機能する。そして、はんだ誘導部５１は、第２はんだ４２の余剰部分の調整構造として機能し、第２はんだ４２をより括れ形状になり易くする役割を果たす。はんだ誘導部５１は、側面５ｃに設けられる凹部とされる場合、凹部形状やサイズ等については任意であり、適宜変更されうる。はんだ誘導部５１は、少なくとも側面５ｃのうち金属部材５を半導体素子３側に押し込んだときに溶融した第２はんだ４２が這い上がる範囲内に設けられる。
【0067】
本変形例によっても、上記第２実施形態と同様の効果が得られる半導体装置１およびその製造方法となる。
【0068】
（他の実施形態）
（１）本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらの一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。
（１）本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらの一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。
【0069】
（２）上記第１実施形態では、はんだ４１～４３が同一材料で構成される場合、はんだ４１～４３を固化させる工程で、第２リードフレーム７を持ち上げるか、第１リードフレーム２を自重で第２リードフレーム７から離す例について説明したが、逆でもよい。例えば、治具１００の台座１０１側から第２リードフレーム７、第３はんだ４３、金属部材５、第２はんだ４２、半導体素子３、第１はんだ４１、第１リードフレーム２の順に積み上げる。そして、はんだ４１～４３を固化させる工程では、複数の支柱１０２で第１リードフレーム２を持ち上げる、または熱伸縮部材１１０の収縮により第２リードフレーム７を自重で第１リードフレーム２から引き離す。これによっても、はんだ４１～４３の固化工程において、半導体素子３と金属部材５との距離が大きくされ、第２はんだ４２が略円弧形状となり、フィレット形状が制御され、半導体素子３への応力が緩和される。
【0070】
（３）なお、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。
【符号の説明】
【0071】
３…半導体素子、４…はんだ、４２…第２はんだ、４３…第３はんだ、５…金属部材
５ａ…上面５ａ…下面、５ｃ…側面、５１…はんだ誘導部、７…リードフレーム
１００…治具、１０１…台座、１０２…支柱
５ａ…上面５ａ…下面、５ｃ…側面、５１…はんだ誘導部、７…リードフレーム
１００…治具、１０１…台座、１０２…支柱
【図1】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図5D】
【図6】
【図7】
【図8A】
【図8B】
【図9A】
【図9B】
【図10】
【図11】