專利名稱：半導(dǎo)體裝置和半導(dǎo)體裝置的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體裝置和半導(dǎo)體裝置的制造方法，特別是，涉及 搭載有功率半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體裝置及其制造方法。
技術(shù)背景 在倒相器(inverter)裝置，無停電電源裝置，工作機械，產(chǎn)業(yè)用 機器人等中，正在與其本體裝置獨立地使用半導(dǎo)體裝置(通用模塊)。 例如，作為半導(dǎo)體裝置，公開了將具有規(guī)定厚度的金屬基底板作 為基體，在金屬基底板上搭載有功率半導(dǎo)體元件的組件型的半導(dǎo)體裝 置(例如，參照專利文獻1)。圖11是將金屬基底板作為基體的半導(dǎo)體 裝置的模式圖。 該半導(dǎo)體裝置100是，將數(shù)毫米厚的金屬基底板101作為基體， 在金屬基底板101上通過焊接層102接合金屬箔103。而且，在金屬箔 103上接合絕緣板104，在絕緣板104上接合金屬箔105、 106。進一步， 在金屬箔105、 106上通過焊接層107、 108接合半導(dǎo)體元件109、 110。 這里，半導(dǎo)體元件109、 110，例如，適合IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor (絕緣柵雙極型晶體管))元件，F(xiàn)WD (Free Wheeling Diode (續(xù)流二極管))元件等。進一步，在半導(dǎo)體元件109、 110上通過焊 接層lll、 112接合散熱體113、 114。而且，以從金屬基底板101的上 端緣，包圍半導(dǎo)體元件109、 110等的方式，固定有成形的樹脂盒115。 另外，在樹脂盒115的孔部117內(nèi)設(shè)置有加固用的金屬環(huán)118。另外，雖然沒有圖示，但是在半導(dǎo)體元件109、 110的周圍，配設(shè) 有金屬導(dǎo)線、引線框(leadframe)等，例如，將半導(dǎo)體元件109、 110 的電極與在絕緣板104上形成的電路圖形，或者，半導(dǎo)體元件109、 110 的電極之間電接合。 進一步，在樹脂盒115內(nèi)部，為了防止金屬導(dǎo)線等的接觸和保護 半導(dǎo)體元件109、 110等不受水分、濕氣、塵埃的影響，密封有由硅類 材料構(gòu)成的凝膠116。另外，最近，揭示了不以金屬基底板101作為基體的，小型尺寸的半導(dǎo)體裝置(例如，參照非專利文獻l)。圖12是不使用金屬基底板的半導(dǎo)體裝置的模式圖。 該半導(dǎo)體裝置200，將絕緣板104、在絕緣板104的下面形成的金
屬箔103和在絕緣板104的上面形成的金屬箔105、 106作為基體。而且，在金屬箔105， 106上通過焊接層107、 108與半導(dǎo)體元件109、 110接合。
而且，在半導(dǎo)體裝置200中，以從絕緣板104的上端緣包圍半導(dǎo) 體元件109、 IIO等的方式，固定有成形的樹脂盒115。另外，在樹脂 盒115內(nèi)，同樣地，密封有由硅類材料構(gòu)成的凝膠116。
根據(jù)這樣的半導(dǎo)體裝置200，由于不以壁厚厚的金屬基底板作為基 體，所以能夠?qū)崿F(xiàn)半導(dǎo)體裝置的輕量化，小型化，進一步，能夠達到 低成本化。另外，關(guān)于搭載在半導(dǎo)體裝置100、 200內(nèi)的半導(dǎo)體元件109、 110 本身，近年來，正在使用減少斷開損失的薄型半導(dǎo)體元件(例如，參 照非專利文獻2)。例如，以前，使用外延型硅基板制作的、壁厚約為350pm左右的 PT (Punch Through (穿孔))型半導(dǎo)體元件是主流，但是最近，使用 FZ (FloatingZone (浮動區(qū)域))基板制作的、壁厚約為100pm左右的 NPT (None Punch Through (無穿孔))型半導(dǎo)體元件正在成為一般情 況。日本特開2003-289130號公報小松、早乙女、井川，"小容量IGBT模塊"，富士 時報Vo1.78， No,4， 2005， P.260 263宮下，"U串聯(lián)IGBT模塊"，富士時報Vol/77, No.5， 2004， R313 31
發(fā)明內(nèi)容
但是，當(dāng)使如上所述的半導(dǎo)體裝置100、 200反復(fù)工作時，因為搭 載的半導(dǎo)體元件109、 110的壁厚為100pm以上，所以通過半導(dǎo)體元件109、 110的發(fā)熱和放熱，半導(dǎo)體元件109、 IIO發(fā)生大的伸縮。其結(jié)果 是，在半導(dǎo)體元件109、 IIO和半導(dǎo)體元件109、 IIO下面的焊接層107、 108之間反復(fù)發(fā)生過剩的應(yīng)力。
當(dāng)使這樣的半導(dǎo)體裝置100、 200長時間工作時，存在以下問題， 半導(dǎo)體元件109、 110和焊接層107、 108之間的粘合力經(jīng)不住應(yīng)力， 在半導(dǎo)體元件109、 110和焊接層107、 108的界面上發(fā)生剝離、斷開， 降低了作為半導(dǎo)體裝置的可靠性。
本發(fā)明鑒于上述問題提出，其目的是提供即使長時間使用，可靠 性也很優(yōu)越的半導(dǎo)體裝置和該半導(dǎo)體裝置的制造方法。
在本發(fā)明中為了解決上述課題，所提供的半導(dǎo)體裝置的特征在于， 具備絕緣板、與上述絕緣板的第一主面接合的第一金屬箔、與上述 絕緣板的第二主面接合的至少一個第二金屬箔、和通過焊接層與上述 第二金屬箔上面接合的壁厚大于等于5(Him小于lOOjam的至少一個半 導(dǎo)體元件。
在這樣的半導(dǎo)體裝置中，在絕緣板的第一主面接合有第一金屬箔， 在絕緣板的第二主面接合有至少一個第二金屬箔，在第二金屬箔上通 過焊接層接合有壁厚大于等于50Mm小于lOOpm的至少一個半導(dǎo)體元 件。
另外，在本發(fā)明中提供半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，具 有以下步驟準(zhǔn)備具有絕緣板、與上述絕緣板的第一主面接合的第一 金屬箔、和與上述絕緣板的第二主面接合的至少一個第二金屬箔的基 板的步驟；在上述第二金屬箔的上面的外周部，有選擇地配置抑制熔 融狀態(tài)的焊料的潤濕的潤濕抑制層的步驟、在上述第二金屬箔的金屬 面顯現(xiàn)出來的部分涂敷焊料的步驟、在上述焊料上載置壁厚大于等于 50Mm小于100jum的半導(dǎo)體元件的步驟、和對上述焊料進行加熱處理， 通過焊接層接合上述半導(dǎo)體元件和上述第二金屬箔的步驟。
在這樣的半導(dǎo)體裝置的制造方法中，準(zhǔn)備具有絕緣板、與絕緣板 的第一主面接合的第一金屬箔、和與絕緣板的第二主面接合的至少一 個第二金屬箔的基板，在第二金屬箔的上面的外周部，有選擇地配置 抑制熔融狀態(tài)的焊料的潤濕的潤濕抑制層，在第二金屬箔的金屬面顯 現(xiàn)出來的部分涂敷焊料，在焊料上載置壁厚大于等于50jum小于100pm
的半導(dǎo)體元件，對焊料進行加熱處理，由此通過焊接層接合半導(dǎo)體元 件和第二金屬箔。
另外，在本發(fā)明中，提供半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于， 具有以下步驟準(zhǔn)備具有絕緣板、與上述絕緣板的第一主面接合的第 一金屬箔、和與上述絕緣板的第二主面接合的至少一個第二金屬箔的 基板的步驟；在上述第二金屬箔上劃定的元件搭載區(qū)域中，以相對于 上述元件搭載區(qū)域的中心部成點對稱的方式，有選擇地配置焊料的步 驟、在上述焊料上載置壁厚大于等于50pm小于lOOpm的半導(dǎo)體元件 的步驟、和對上述焊料進行加熱處理，通過焊接層接合上述半導(dǎo)體元 件和上述第二金屬箔的步驟。
在這樣的半導(dǎo)體裝置的制造方法中，準(zhǔn)備具有絕緣板、與絕緣板 的第一主面接合的第一金屬箔、和與絕緣板的第二主面接合的至少一 個第二金屬箔的基板，在第二金屬箔上劃定的元件搭載區(qū)域中，以相 對于元件搭載區(qū)域的中心部成點對稱的方式，有選擇地配置焊料，在 焊料上載置壁厚大于等于50pm小于100Mm的半導(dǎo)體元件，對焊料進 行加熱處理，通過焊接層接合半導(dǎo)體元件和上述第二金屬箔。
在本發(fā)明中，在半導(dǎo)體裝置中，使在絕緣板的第一主面接合第一 金屬箔，在絕緣板的第二主面接合至少一個第二金屬箔，在第二金屬 箔上通過焊接層接合壁厚大于等于50jnm小于lOOpm的至少一個半導(dǎo) 體元件。
另外，在本發(fā)明中，在半導(dǎo)體裝置的制造方法中，準(zhǔn)備具有絕緣 板、與絕緣板的第一主面接合的第一金屬箔、和與絕緣板的第二主面 接合的至少一個第二金屬箔的基板，在第二金屬箔的上面的外周部， 有選擇地配置抑制熔融狀態(tài)的焊料的潤濕的潤濕抑制層，在第二金屬 箔的金屬面顯現(xiàn)出來的部分涂敷焊料，在焊料上載置壁厚大于等于 50pm小于100pm的半導(dǎo)體元件，對焊料進行加熱處理，通過焊接層 接合半導(dǎo)體元件和第二金屬箔。
另外，在本發(fā)明中，在半導(dǎo)體裝置的制造方法中，準(zhǔn)備具有絕緣 板、與絕緣板的第一主面接合的第一金屬箔、和與絕緣板的第二主面 接合的至少一個第二金屬箔的基板，在第二金屬箔上劃定的元件搭載 區(qū)域中，以相對于元件搭載區(qū)域的中心部成點對稱的方式，有選擇地 配置焊料，在焊料上載置壁厚大于等于50nm小于100|_im的半導(dǎo)體元 件，對焊料進行加熱處理，通過焊接層接合半導(dǎo)體元件和第二金屬箔。 由此，能夠?qū)崿F(xiàn)即使長時間使用，可靠性也很優(yōu)越的半導(dǎo)體裝置 和半導(dǎo)體裝置的制造方法。


圖1是表示半導(dǎo)體裝置的主要部分的剖面模式圖。 圖2是說明半導(dǎo)體元件的壁厚和應(yīng)力的關(guān)系的示意圖。 圖3是說明半導(dǎo)體元件的厚度和功率循環(huán)容量的關(guān)系的示意圖。 圖4是說明位置偏離的示意圖。 圖5是表示第三實施方式的半導(dǎo)體裝置的制造流程的示意圖。 圖6是說明半導(dǎo)體元件和金屬箔的焊接接合的示意圖(其一)。 圖7是說明半導(dǎo)體元件和金屬箔的焊接接合的示意圖(其二)。 圖8是表示第四實施方式的半導(dǎo)體裝置的制造流程的示意圖。 圖9是說明半導(dǎo)體元件和金屬箔的焊接接合的示意圖(其三)。 圖IO是說明半導(dǎo)體元件和金屬箔的焊接接合的示意圖(其四)。 圖11是以金屬基底板作為基體的半導(dǎo)體裝置的模式圖。 圖12是不使用金屬基底板的半導(dǎo)體裝置的模式圖。 符號說明 1半導(dǎo)體裝置 10基板 10a 絕緣板 10b、 10c、 10d金屬箔 10cs氧化膜 lla、 llb、 41焊接層 12、 12a、 12b、 12c、 12d、 12e、 40焊料 20、 21半導(dǎo)體元件 30密封材料 50抗蝕劑圖形 a虛線框
具體實施例方式
下面，參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實施方式。 首先，從第一實施方式開始進行說明。
<第一實施方式> 圖1是半導(dǎo)體裝置的主要部分的剖面模式圖。
圖示的半導(dǎo)體裝置1具有在基板10上安裝有多個半導(dǎo)體元件20、 21的構(gòu)造。而且，半導(dǎo)體裝置1，利用樹脂盒(未圖示)封裝，作為 通用IGBT模塊發(fā)揮作用。
基板10具有絕緣板10a、在絕緣板10a的下面用DCB (Direct Copper Bonding (直接鍵合銅))法形成的金屬箔10b、和在絕緣板10a 的上面同樣用DCB法形成的多個金屬箔10c、 10d。
進一步，在金屬箔10c、 10d上，通過錫(Sn)-銀(Ag)類的無 鉛焊接層lla、 llb，在各個金屬箔10c、 10d上接合至少一個半導(dǎo)體元 件20、 21的主電極側(cè)(例如，集電極電極)。
在此，絕緣板10a，例如由氧化鋁(A1203)燒結(jié)體的陶瓷構(gòu)成， 金屬箔10b、 10c、 10d由以銅(Cu)作為主成分的金屬構(gòu)成。另外， 半導(dǎo)體元件20、 21，例如適合IGBT元件、FWD元件、功率MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (金屬氧化物半導(dǎo)體 場效應(yīng)晶體管))等的功率半導(dǎo)體元件。而且，半導(dǎo)體元件20、 21的 縱方向的厚度是，在半導(dǎo)體元件20、 21的上下主面之間，具有大于等 于50pm小于100pm的構(gòu)造。另夕卜，絕緣板10a的厚度為0.3 0.7mm， 金屬箔10b、 10c、 10d的厚度例如為0.2 0.6mm。此外，焊接層lla、 lib的厚度為80 130|im。
另外，在圖1中，雖然沒有圖示，但是在絕緣板10a上，除了金 屬箔10c、 10d夕卜，還配設(shè)有多個金屬箔、電極端子等。進一步，在基 板10上，搭載有半導(dǎo)體元件20、21以外的多個半導(dǎo)體元件(例如，IGBT 元件、FWD元件、功率MOSFET等)。另外，在半導(dǎo)體元件20、 21 的周圍，配設(shè)有金屬導(dǎo)線、引線框等，例如，通過金屬導(dǎo)線將半導(dǎo)體 元件20、 21的主電極(發(fā)射極電極)或者控制電極(柵極電極)與各 金屬箔，或者，半導(dǎo)體元件20、 21的電極之間電接合。
進一步，在半導(dǎo)體裝置1中，以包圍半導(dǎo)體元件20、 21等的方式，
具備例如PPS (聚苯硫(polyphenylene sulfide))制的樹脂盒(未圖示)。 而且，在該樹脂盒的內(nèi)面，為了保護半導(dǎo)體元件20、 21等，例如，充 填有由以硅作為主要成分的凝膠或者環(huán)氧樹脂構(gòu)成的密封材料30。
此外，在圖1中，特別地，雖然沒有圖示，但是也可以將面積比 基板10大的金屬基底板(板厚:數(shù)毫米)作為基體，在金屬箔10b下通 過焊接層接合。
搭載有這樣的壁厚薄的半導(dǎo)體元件20、 21的半導(dǎo)體裝置1很大地 提高了其可靠性。下面，關(guān)于其可靠性進行詳細(xì)的說明。
首先，在說明半導(dǎo)體裝置1的可靠性之前，由于通過FEM (Finite Element Method (有限元法))分析求得在半導(dǎo)體元件20、 21和焊接層 lla、 llb之間起作用的應(yīng)力，所以從其結(jié)果進行說明。
在此，為了算出該應(yīng)力，設(shè)想通過厚度為lOOpm的焊接層(錫-銀類焊料)，在與圖1的金屬箔10c、 10d相當(dāng)?shù)慕饘俨辖雍习雽?dǎo)體 元件(例如，IGBT元件)的模型，算出在該半導(dǎo)體元件和該焊接層之 間發(fā)生的應(yīng)力。
圖2是說明半導(dǎo)體元件的厚度和應(yīng)力的關(guān)系的示意圖。
在此，橫軸表示半導(dǎo)體元件的厚度(pm)，縱軸表示半導(dǎo)體元件 和焊接層之間產(chǎn)生的應(yīng)力(相對值)。
如圖所示，在半導(dǎo)體元件和位于半導(dǎo)體元件下面的焊接層之間產(chǎn) 生的應(yīng)力，具有半導(dǎo)體元件的厚度越薄越減少的傾向。
例如，當(dāng)半導(dǎo)體元件的厚度為350nm時的應(yīng)力為100的情況下， 當(dāng)搭載有厚度為150)Lim的半導(dǎo)體元件時，應(yīng)力為85，當(dāng)搭載有厚度為 lOOpm的半導(dǎo)體元件時，應(yīng)力為75。進一步，當(dāng)搭載有厚度為80|iim 的半導(dǎo)體元件時，應(yīng)力減少到70。而且，當(dāng)搭載有厚度為50pm的半 導(dǎo)體元件時，應(yīng)力減少到55，在該圖中，表示出最低值。即，可以看 到半導(dǎo)體元件的壁厚越薄，在半導(dǎo)體元件和位于半導(dǎo)體元件下面的焊 接層之間產(chǎn)生的應(yīng)力越減少。
接下來，關(guān)于搭載有這樣的壁厚薄的半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體裝置的 可靠性進行說明。
在此，作為一個例子，當(dāng)將厚度為350pm的半導(dǎo)體元件和厚度為 85pm的半導(dǎo)體元件搭載在半導(dǎo)體裝置中時，對功率循環(huán)容量如何變化
進行確認(rèn)。下面說明其結(jié)果。
圖3是說明半導(dǎo)體元件的厚度和功率循環(huán)容量的關(guān)系的示意圖。 在此，在圖3 (A)中，表示了功率循環(huán)容量的結(jié)果，在圖3 (B)
中表示了功率循環(huán)試驗的方法的概略圖。
在圖3 (A)中，橫軸表示循環(huán)試驗中的溫度范圍AT (K)，縱軸
表示功率循環(huán)容量(相對值)。
另外，如圖3 (B)所示功率循環(huán)試驗是反復(fù)進行的，在2秒內(nèi)， 從初始溫度(室溫25。C)加熱半導(dǎo)體元件和位于半導(dǎo)體元件下面的焊 接層到+AT，在18秒內(nèi)，使半導(dǎo)體元件和焊接層再次冷卻到初始溫度。
此外，關(guān)于圖3 (A)所示的功率循環(huán)容量的結(jié)果，當(dāng)使用壁厚為 35(Him的半導(dǎo)體元件時的AT=125 (K)的功率循環(huán)容量為1，表示由 該值得到的各功率循環(huán)容量的相對值。
如圖所示，當(dāng)使用壁厚為85Mm的半導(dǎo)體元件時，與搭載壁厚為 350pm的半導(dǎo)體元件時比較，在AT-100 125 (K)，功率循環(huán)容量提 高到4 10倍。
例如，在AT-100 (K)，與使用壁厚為350pm的半導(dǎo)體元件的情 況下的功率循環(huán)容量為5相對，當(dāng)使用壁厚為85pm的半導(dǎo)體元件的情 況下的功率循環(huán)容量為20。
艮口，當(dāng)用厚度為85pm的半導(dǎo)體元件時，與使用壁厚為350pm的 半導(dǎo)體元件的情況比較，功率循環(huán)容量提高了 4倍。
另外，在AT-125 (K)，與使用壁厚為350jam的半導(dǎo)體元件的情 況下的功率循環(huán)容量為1相對，使用厚度為85pm的半導(dǎo)體元件時的功 率循環(huán)容量為10。
艮口，在使用壁厚為85pm的半導(dǎo)體元件的情況下，與使用壁厚為 35(Him的半導(dǎo)體元件的情況相比較，功率循環(huán)容量提高了 10倍。
從而，可以明白當(dāng)將壁厚比100nm薄的半導(dǎo)體元件搭載在半導(dǎo)體 裝置內(nèi)時，能夠進一步提高作為半導(dǎo)體裝置的可靠性。
像這樣，半導(dǎo)體裝置1具有絕緣板10a、與絕緣板10a的下面接合 的金屬箔10b和與絕緣板10a的上面接合的金屬箔10c、 10d，進一步， 具有在金屬箔10c、 10d上通過焊接層lla、 llb接合的壁厚大于等于 50pm小于100|um的半導(dǎo)體元件20、 21 。
根據(jù)這樣的半導(dǎo)體裝置1，即使使半導(dǎo)體裝置1反復(fù)進行工作，因
為搭載的半導(dǎo)體元件20、 21是薄型的，所以即使半導(dǎo)體元件20、 21 發(fā)熱或者放熱，半導(dǎo)體元件20、 21也沒有大的伸縮。因而，在半導(dǎo)體 元件20、 21和半導(dǎo)體元件20、 21下的焊接層lla、 llb之間不會反復(fù) 產(chǎn)生過剩的應(yīng)力。其結(jié)果是，即使長時間使用半導(dǎo)體裝置l，在半導(dǎo)體 元件20、 21和焊接層lla、 llb的界面上也很難發(fā)生剝離、斷開，半導(dǎo) 體裝置1具有高可靠性。
可是，通過焊接層lla、 llb接合構(gòu)成半導(dǎo)體裝置l的半導(dǎo)體元件 20、 21和金屬箔10c、 10d時是通過加熱處理進行。
具體地說，預(yù)先在金屬箔10c、 10d上涂敷糊膏狀的焊料，將半導(dǎo) 體元件20、 21載置在該焊料上后，進行加熱處理，使半導(dǎo)體元件20、 21和金屬箔10c、 10d焊接接合(未圖示)。
在這樣的半導(dǎo)體裝置1中，當(dāng)在加熱爐內(nèi)熔融焊料時，半導(dǎo)體元 件20、 21相對于金屬箔10c、 10d進行自我校準(zhǔn)(自我匹配)。
但是，因為半導(dǎo)體元件20、 21是薄型的，所以半導(dǎo)體元件20、 21 的重量輕，從而存在有當(dāng)焊料熔融時半導(dǎo)體元件20、 21移動，從所希 望的接合位置偏離的情形。
這是因為半導(dǎo)體元件20、 21的重量越輕，半導(dǎo)體元件20、 21的 位置越依存于熔融狀態(tài)中的焊料流動性的緣故。特別是，當(dāng)通過完全 覆蓋將糊膏狀的焊料涂敷在金屬箔10c、 10d上，進行焊接時，會更顯 著地誘發(fā)這種從所希望的接合位置的偏離(以下，稱為位置偏離)。
為了更深入地理解該現(xiàn)象，例如，使用金屬箔10c和半導(dǎo)體元件 20這樣的部件為例進行說明。
圖4是說明位置偏離的示意圖。
首先，在圖4(A)中，表示在金屬箔10c上涂敷糊膏狀的焯料40， 進一步在焊料40上，載置半導(dǎo)體元件20的狀態(tài)。如上所述，在現(xiàn)有 的方式中，在半導(dǎo)體元件20和金屬箔10c的間隙中以所謂的完全覆蓋 狀態(tài)將糊膏狀的焊料40涂敷成大致四角狀。
其次，在該狀態(tài)中，在加熱爐內(nèi)加熱焊料40，并使其熔融時，助 熔劑成分與焊料成分一起熔融。而且，通過助熔劑成分使金屬箔10c 潤濕的部分被還原，接著，焊料成分在被還原的部分潤濕擴散。
例如，當(dāng)從圖4 (A)的狀態(tài)，在加熱爐內(nèi)使焊料40熔融時，焊 料40不停止地在半導(dǎo)體元件20和金屬箔10c的間隙中，向金屬箔10c 的外周端潤濕擴散。
而且，在圖4 (B)中，表示使熔融的焊料40固化，通過焊接層 41將半導(dǎo)體元件20和金屬箔10c接合的狀態(tài)。
如該圖所示，當(dāng)完全覆蓋狀態(tài)的焊料40潤濕擴散時，并不是在金 屬箔10c上面均勻地擴散，而是向金屬箔10c的外周端不均勻地擴散。 其結(jié)果是，在焊料40固化后，半導(dǎo)體元件20發(fā)生自轉(zhuǎn)或移動。
如果補充說明這種現(xiàn)象的過程，例如，通過以下說明的過程，推 測為誘發(fā)位置偏離。
例如，當(dāng)將半導(dǎo)體元件20載置在完全覆蓋狀態(tài)的焊料40上時， 半導(dǎo)體元件20的主面完全不與金屬箔10c平行，成為若干傾斜的狀態(tài)。 就在這樣的狀態(tài)中，當(dāng)使焊料40熔融時，焊料40具有方向性地潤濕 擴散的概率變高?；蛘?，基板10本身發(fā)生若干變形的情形下也發(fā)生同 樣的現(xiàn)象。
因而，根據(jù)上述理由，焊料40向外周方向不均勻地潤濕擴散，保 持這樣地固化時，形成圖4 (B)所示的外延和厚度不均勻的焊接層41。 其結(jié)果是，半導(dǎo)體元件20發(fā)生自轉(zhuǎn)或移動，誘發(fā)了半導(dǎo)體元件20相 對于金屬箔10c的位置偏離。
這樣，當(dāng)在金屬箔10c上完全覆蓋糊膏狀的焊料40時，容易誘發(fā) 這樣的位置偏離。
但是，當(dāng)發(fā)生這樣的位置偏離時，在半導(dǎo)體元件20、 21的電極配 線步驟中，在預(yù)定地方發(fā)生不能夠進行導(dǎo)線焊接等的配線不良等不合 適情況，作為半導(dǎo)體裝置的可靠性降低。
從而，在搭載薄型半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體裝置的情形中，越要盡可 能地抑制位置偏離。
在此，在以下的實施方式中，說明即使當(dāng)將薄型并且輕量的半導(dǎo) 體元件20、 21搭載在半導(dǎo)體裝置1內(nèi)時，位置偏離也很少的半導(dǎo)體裝 置1的結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體裝置1的制造方法。
此外，在以下的實施方式中，在與圖1的半導(dǎo)體裝置1相同的部 件上，附加相同的標(biāo)號，并省略對它們的說明。另外，在以下的各個
實施方式中，以金屬箔10c、焊接層Ua和半導(dǎo)體元件20這樣的部件 為例進行說明。因而。關(guān)于整個半導(dǎo)體裝置1的說明在各個實施方式 中省略。
<第二實施方式>
在該實施方式中，其特征在于，關(guān)于圖l所示的半導(dǎo)體元件20和 金屬箔10c的接合，由與錫-銀類焊料不同成分的焊料構(gòu)成焊接層lla。
例如，使用對金屬箔10c的焊料潤濕性比錫-銀類焊料低的焊料， 構(gòu)成焊接層lla。更具體地說，使用錫-銻(Sb)類焊料，構(gòu)成焊接層 lla。
如果用這種焊料，則即使在加熱爐內(nèi)熔融焊料，也能夠抑制在金 屬箔10c上的焊料的流動性。即，因為相對于金屬箔10c焊料的潤濕 性低，所以即使焊料熔融，焊料也能夠保留原形，焊料沒有從半導(dǎo)體 元件20和金屬箔10c的間隙不均勻地潤濕擴散。其結(jié)果是，能夠進一 步提高半導(dǎo)體元件20對金屬箔10c的自我校準(zhǔn)，能夠提高作為半導(dǎo)體 裝置的可靠性。
<第三實施方式>
在該實施方式中，其特征在于，關(guān)于圖l所示的半導(dǎo)體元件20和 金屬箔10c的接合，在金屬箔10c上面的外周部，預(yù)先，有選擇地配 置抑制熔融狀態(tài)的焊料的潤濕的潤濕抑制層，在金屬面顯現(xiàn)出來的金 屬箔10c上涂敷焊料，接合半導(dǎo)體元件20和金屬箔10c。
例如，圖5是第三實施方式中的半導(dǎo)體裝置的制造流程圖。
如該圖所示，首先，準(zhǔn)備具有絕緣板10a、與絕緣板10a的下面接 合的金屬箔10b、和與絕緣板10a的上面接合的金屬箔10c、 10d的基 板10 (步驟S1A)。
接下來，例如，在金屬箔10c上面的外周部，有選擇地配置抑制 熔融狀態(tài)的焊料的潤濕的潤濕抑制層(步驟S2A)。
接下來，在金屬箔10c的金屬面顯現(xiàn)出來的部分涂敷焊料(步驟 S3A)。
接下來，在焊料上載置壁厚大于等于50pm小于100nm的半導(dǎo)體 元件20 (步驟S4A)。
然后，對焊料進行加熱處理(步驟S5A)，通過焊接層lla將半導(dǎo)體元件20和金屬箔10c接合(步驟S6A)。通過這樣的制造流程，將半導(dǎo)體元件20和金屬箔10c接合。 此外，關(guān)于本實施方式的具體例子，是2個實施方式，以下分別進行說明。另外，在各個實施方式的說明中，以步驟S2A 步驟S6A為中心進行詳細(xì)的說明。
<第三實施方式(其一)>
在該實施方式中，其特征在于，關(guān)于圖l所示的半導(dǎo)體元件20和 金屬箔10c的接合，在金屬箔10c的上面，作為潤濕抑制層，預(yù)先形 成抗蝕劑圖形，在金屬面顯現(xiàn)出來的金屬箔10c上涂敷焊料，將半導(dǎo) 體元件20和金屬箔10c接合。利用附圖詳細(xì)地說明該接合法圖6是說明半導(dǎo)體元件和金屬箔的焊接接合的示意圖。
首先，如圖6 (A)所示，在金屬箔10c上面的外周上，以包圍金 屬箔10c上面的內(nèi)域的方式，有選擇地配置抗蝕劑圖形50。如上所述， 該抗蝕劑圖形50作為潤濕抑制層發(fā)揮作用。
在此，例如，通過光蝕刻進行抗蝕劑圖形50的有選擇地配置。而 且，在金屬面顯現(xiàn)出來的金屬箔10c上，利用印刷法涂敷糊膏狀的焊 料12 (例如，錫-銀類焊料，錫-銻類焊料)。進一步，在焯料12上載 置半導(dǎo)體元件20。接下來，在加熱爐內(nèi)加熱焊料12，并使其熔融(未圖示)。然后， 冷卻焊料12，如圖6 (B)所示，通過焊接層lla接合半導(dǎo)體元件20 和金屬箔10c合起來。
依據(jù)這樣的方法，即使在加熱爐內(nèi)熔融焊料12，由于抗蝕劑圖形 50的存在能夠抑制焊料12的流動性。g卩，因為在金屬箔10c上面的外 周上，形成堤壩狀的抗蝕劑圖形50，所以即使焊料12熔融，焊料12 也能夠保留原形，焊料12沒有在金屬箔10c上不均勻地潤濕擴散。因 而，當(dāng)焊接接合時在金屬箔10c上的半導(dǎo)體元件20很難發(fā)生移動或轉(zhuǎn) 動。其結(jié)果是，能夠進一步提高半導(dǎo)體元件20相對于金屬箔10c的自 我校準(zhǔn)，能夠提高作為半導(dǎo)體裝置的可靠性。此外，關(guān)于在金屬箔10c上有選擇地配置的抗蝕劑圖形50，在通 過焊接層11a將半導(dǎo)體元件20和金屬箔10c接合之后，利用有機溶劑 除去抗蝕劑圖形50。
<第三實施方式(其二) >
在該實施方式中，其特征在于，關(guān)于圖l所示的半導(dǎo)體元件20和 金屬箔10c的接合，在金屬箔10c的上面，作為潤濕抑制層，預(yù)先形 成氧化膜圖形，在金屬面顯現(xiàn)出來的金屬箔10c上面涂敷焊料，將半 導(dǎo)體元件20和金屬箔10c接合。利用附圖詳細(xì)說明該接合法
圖7是說明半導(dǎo)體元件和金屬箔的焊接接合的示意圖。
首先，如圖7 (A)所示，在金屬箔10c上面的外周上，以包圍金 屬箔10c上面的內(nèi)域的方式，有選擇地形成氧化膜10cs (CuO)。如上 所述，該氧化膜10cs作為潤濕抑制層發(fā)揮作用。
在此，按如下方式形成氧化膜10cs。
例如，以利用光蝕刻，以使金屬箔10c上面的外周顯現(xiàn)出來的方 式，在金屬箔10c的內(nèi)域(焊料12的涂敷區(qū)域)中形成抗蝕劑圖形之 后，將該抗蝕劑圖形作為掩膜，進行金屬箔10c上面的熱氧化處理、 氧等離子體處理(未圖示)。然后，除去抗蝕劑圖形，在金屬箔10c上 面的外周有選擇地只形成氧化膜10cs。
或者，利用激光抗蝕劑法，直接在金屬箔10c上面的外周形成氧 化膜10cs。
然后，在金屬面顯現(xiàn)出來的金屬箔10c的上面，利用印刷法涂敷 糊膏狀的焊料12 (例如，錫-銀類焊料，錫-銻類焊料)，進一步，在焊 料12上載置半導(dǎo)體元件20。
接下來，在加熱爐內(nèi)加熱焊料12，并使其熔融(未圖示)。在此， 眾所周知焊料12相對氧化膜10cs的潤濕性比焊料12相對金屬表面的 潤濕性低。然后，冷卻焊料12，如圖7 (B)所示，通過焊接層lla將 半導(dǎo)體元件20和金屬箔10c接合。
依據(jù)這種方法，即使在加熱爐內(nèi)熔融焊料12，由于氧化膜10cs的 存在能夠抑制焊料12的流動性。即，因為在金屬箔10c上面的外周上， 形成有氧化膜10cs，所以即使當(dāng)焊接接合時焊料12熔融，焊料12也 能夠保留原形，焊料12沒有不均勻地潤濕擴散。因而，當(dāng)焊接接合時 在金屬箔10c上半導(dǎo)體元件20很難發(fā)生移動或轉(zhuǎn)動。其結(jié)果是，能夠 進一步提高半導(dǎo)體元件20相對金屬箔10c的自我校準(zhǔn)，能夠提高作為 半導(dǎo)體裝置的可靠性。
<第四實施方式>
在該實施方式中，其特征在于，關(guān)于圖l所示的半導(dǎo)體元件20和 金屬箔10c的接合，在金屬箔10c上劃定的半導(dǎo)體元件20的搭載區(qū)域 中，預(yù)先，以相對于該搭載區(qū)域的中心部成點對稱的方式使焊料形成 圖形，將半導(dǎo)體元件20和金屬箔10c接合。
例如，圖8是第四實施方式中的半導(dǎo)體裝置的制造流程圖。
如該圖所示，首先，準(zhǔn)備具有絕緣板10a、與絕緣板10a的下面接 合的金屬箔10b、和與絕緣板10a的上面接合的金屬箔10c、 10d的基 板10 (步驟S1B)。
接下來，例如，在金屬箔10c上劃定的元件搭載區(qū)域中，以相對 于元件搭載區(qū)域的中心部成點對稱的方式，有選擇地配置焊料(步驟 S2B)。
接下來，在有選擇地配置的焊料上載置厚度大于等于50pm小于 100pm的半導(dǎo)體元件20 (步驟S3B)。
然后，對焊料進行加熱處理(步驟S4B)，通過焊接層lla將半導(dǎo) 體元件20和金屬箔10c接合(步驟S5B)。
通過這樣的制造流程，將半導(dǎo)體元件20和金屬箔10c接合。
此外，關(guān)于本實施方式的具體例子，是兩個實施方式，以下分別 對它們進行說明。另外，在各個實施方式的說明中，以步驟S2B 步 驟S5B為中心進行詳細(xì)地說明。
<第四實施方式(其一)>
在該實施方式中，其特征在于，關(guān)于圖l所示的半導(dǎo)體元件20和 金屬箔10c的接合，在金屬箔10c的上面，預(yù)先形成有選擇地配置的 焊料，將半導(dǎo)體元件20和金屬箔10c接合。利用圖詳細(xì)地說明該接合 法。
圖9是說明半導(dǎo)體元件和金屬箔的焊接接合的示意圖。 首先，如圖9 (A)所示，利用印刷法在金屬箔10c上有選擇地配 置糊膏狀的焊料12a、 12b、 12c、 12d (例如，錫-銀類焊料，錫-銻類焊 料)。此外，在圖9 (A)的上面圖中，為了說明焊料12a、 12b、 12c、 12d形成圖形后的狀態(tài)，用虛線只表示半導(dǎo)體元件20的外框(圖中所 示的矩形形狀的虛線框a)，表示了焊料12a、 12b、 12c、 12d的透視圖。
另外，矩形形狀的虛線框a內(nèi)是在金屬箔10c上劃定的半導(dǎo)體元件20 的搭載區(qū)域。
在此，以均等的形狀、面積和數(shù)量，相對于半導(dǎo)體元件20的搭載 區(qū)域的中心部成點對稱的方式將焊料12a、 12b、 12c、 12d分割配置在 半導(dǎo)體元件20的搭載區(qū)域的四個角中。另外，在該圖中，作為一個例 子，在金屬箔10c上配置外延為圓形形狀的焊料12a、 12b、 12c、 12d。
而且，在有選擇地配置焊料12a、 12b、 12c、 12d之后，將半導(dǎo)體 元件20載置在焊料12a、 12b、 12c、 12d上。
在該狀態(tài)中，由于焊料12a、 12b、 12c、 12d的表面張力，將半導(dǎo) 體元件20保持在金屬箔10c上。
接下來，在加熱爐內(nèi)加熱焊料12a、 12b、 12c、 12d (未圖示)。焊 料12a、 12b、 12c、 12d分別以被配置的位置作為基點熔融。如上所述， 焊料12a、 12b、 12c、 12d以均等的形狀、面積和數(shù)量構(gòu)成。因而，當(dāng) 焊料12a、 12b、 12c、 12d熔融時，焊料12a、 12b、 12c、 12d在半導(dǎo)體 元件20和金屬箔10c的間隙中，由于毛細(xì)管現(xiàn)象，以相同速度潤濕擴 散。
在圖9 (B)中，表示使熔融后的焊料12a、 12b、 12c、 12d冷卻， 通過焊接層lla將半導(dǎo)體元件20和金屬箔10c接合的狀態(tài)。
如上所述，因為當(dāng)使焊料12a、 12b、 12c、 12d熔融時，在半導(dǎo)體 元件20和金屬箔10c的間隙中發(fā)生潤濕擴散，所以作為相同成分的焯 料12a、 12b、 12c、 12d最終連結(jié)起來。并且，在冷卻后，在半導(dǎo)體元 件20和金屬箔10c的間隙中，形成厚度均勻的焊接層lla。
另外，因為熔融后的焊料12a、 12b、 12c、 12d在半導(dǎo)體元件20 和金屬箔10c的間隙中，從各基點以相同的速度潤濕擴散，所以在金 屬箔10c上半導(dǎo)體元件20很難發(fā)生移動或轉(zhuǎn)動。其結(jié)果是，能夠進一 步提高半導(dǎo)體元件20相對于金屬箔10c的自我校準(zhǔn)，能夠提高作為半 導(dǎo)體裝置的可靠性。
<第四實施方式(其二) >
在該實施方式中，其特征在于，關(guān)于圖l所示的半導(dǎo)體元件20和 金屬箔10c的接合，在金屬箔10c的上面，預(yù)先形成有選擇地配置的 焊料，將半導(dǎo)體元件20和金屬箔10c接合。利用附圖詳細(xì)地說明該接
合法
圖IO是說明半導(dǎo)體元件和金屬箔的焊接接合的示意圖。
首先，如圖10 (A)所示，利用印刷法在金屬箔10c上有選擇地 配置糊膏狀的焊料12e (例如，錫-銀系焊料，錫-銻系焊料)。此外，在 圖10 (A)的上面圖中，為了說明焊料12e形成圖形后的狀態(tài)，用虛 線只表示半導(dǎo)體元件20的外框(圖中所示的矩形形狀的虛線框a)，表 示出焊料12e的透視圖。另夕卜，矩形形狀的虛線框a內(nèi)是在金屬箔10c 上劃定的半導(dǎo)體元件20的搭載區(qū)域。
在此，焊料12e，形成為具有4條邊的十字狀，以相對于半導(dǎo)體元 件20的搭載區(qū)域的中心部成點對稱的方式配置。而且，各邊具有均等 的寬度和厚度。
而且，在有選擇地配置焊料12e后，將半導(dǎo)體元件20載置在焊料 12e上。
在該狀態(tài)中，由于焊料12e的表面張力，將半導(dǎo)體元件20保持在 金屬箔10c上。
接下來，在加熱爐內(nèi)加熱焊料12e (未圖示)。這樣做，焊料12e 的四條邊，將各個被配置的位置作為基點熔融。如上所述，十字狀的 焊料12e，以均等的寬度和厚度構(gòu)成。因而，當(dāng)焊料12e熔融時，焊料 12e的各邊，在半導(dǎo)體元件20和金屬箔10c的間隙中，由于毛細(xì)管現(xiàn) 象，以相同速度潤濕擴散。
在圖IO (B)中，表示使熔融后的焊料12e冷卻，通過焊接層lla 將半導(dǎo)體元件20和金屬箔10c接合的狀態(tài)。
如上所述，因為當(dāng)使焊料12e熔融時，在半導(dǎo)體元件20和金屬箔 10c的間隙中潤濕擴散，所以在冷卻后，在半導(dǎo)體元件20和金屬箔10c 的間隙中，形成厚度均勻的焊接層lla。
另夕卜，因為熔融后的焊料12e的各邊，在半導(dǎo)體元件20和金屬箔 10c的間隙中，從各基點以相同的速度潤濕擴散，所以在金屬箔10c上 的半導(dǎo)體元件20很難發(fā)生移動或轉(zhuǎn)動。其結(jié)果是，能夠進一步提高半 導(dǎo)體元件20相對金屬箔10c的自我校準(zhǔn)，能夠提高作為半導(dǎo)體裝置的 可靠性。
此外，在第二到第四實施方式中，以圖1所示的金屬箔10c、焊接
層11a和半導(dǎo)體元件20為例進行說明，但是與第二到第四實施方式有 關(guān)的部件，當(dāng)然不只局限于這些金屬箔10c、焊接層lla和半導(dǎo)體元件 20。 g卩，即使與第二到第四實施方式有關(guān)的部件是在絕緣板10a上接 合的其它金屬箔、該金屬箔上的焊接層，還有，同過該焊接層與金屬 箔接合的其它半導(dǎo)體元件，當(dāng)然也是可以挪用的。
此外，在上述實施方式中，半導(dǎo)體裝置1也可以是在半導(dǎo)體元件 20、 21上具備散熱體的構(gòu)成。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體裝置，其特征在于，具有絕緣板；與所述絕緣板的第一主面接合的第一金屬箔；與所述絕緣板的第二主面接合的至少一個第二金屬箔；和通過焊接層接合在所述第二金屬箔上的、壁厚大于等于50μm小于100μm的至少一個半導(dǎo)體元件。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于 所述焊接層的材質(zhì)為錫(Sn)-銀(Ag)類焊料或者錫(Sn)-銻(Sb)類焊料。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于 在所述第二金屬箔的上面的外周部有選擇地形成有氧化膜。
4. 一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，具有 準(zhǔn)備具有絕緣板、與所述絕緣板的第一主面接合的第一金屬箔、和與所述絕緣板的第二主面接合的至少一個第二金屬箔的基板的步 驟；在所述第二金屬箔的上面的外周部，有選擇地配置抑制熔融狀態(tài)的焊料的潤濕的潤濕抑制層的步驟；在所述第二金屬箔的金屬面顯現(xiàn)出來的部分上涂敷焊料的步驟； 在所述焊料上載置厚度大于等于5(Vm小于100pm的半導(dǎo)體元件的步驟；和對所述焊料進行加熱處理，通過焊接層接合所述半導(dǎo)體元件和所 述第二金屬箔的步驟。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于 所述潤濕抑制層是抗蝕劑圖形。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于 所述潤濕抑制層為氧化膜。
7. —種半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，具有-準(zhǔn)備具有絕緣板、與所述絕緣板的第一主面接合的第一金屬箔、和與所述絕緣板的第二主面接合的至少一個第二金屬箔的基板的步 驟；在所述第二金屬箔上劃定的元件搭載區(qū)域中，以相對所述元件搭 載區(qū)域的中心部成點對稱的方式，有選擇地配置焊料的步驟；在所述焊料上載置厚度大于等于50pm小于lOOpm的半導(dǎo)體元件 的步驟；和對所述焊料進行加熱處理，通過焊接層接合所述半導(dǎo)體元件和所 述第二金屬箔的步驟。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于 在所述元件搭載區(qū)域的角部，在所述第二金屬箔上分割配置所述焊料，以相對所述元件搭載區(qū)域的中心部成點對稱的方式，有選擇地 配置所述焊料。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于 配置在所述第二金屬箔上的所述焊料的外延為圓形形狀。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于 有選擇地配置在所述第二金屬箔上的所述焊料在所述第二金屬箔上形成十字狀的圖形。
全文摘要
本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體裝置和半導(dǎo)體裝置的制造方法，提高半導(dǎo)體裝置的可靠性。在半導(dǎo)體裝置(1)中，在絕緣板(10a)的下面接合金屬箔(10b)，在絕緣板(10a)的上面接合至少一個金屬箔(10c、10d)，在金屬箔(10c、10d)上通過焊接層(11a、11b)接合厚度大于等于50μm小于100μm的至少一個半導(dǎo)體元件(20，21)。另外，當(dāng)通過焊接層(11a、11b)在金屬箔(10c、10d)接合半導(dǎo)體元件(20、21)時，進行焊接以抑制位置偏離。由此，即使長時間使用，也能夠?qū)崿F(xiàn)可靠性優(yōu)越的半導(dǎo)體裝置和半導(dǎo)體裝置的制造方法。
文檔編號H01L21/60GK101339933SQ200810096579
公開日2009年1月7日 申請日期2008年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月18日
發(fā)明者堀尾真史, 望月英司, 池田良成 申請人:富士電機電子技術(shù)株式會社