半導(dǎo)體裝置的制造方法、半導(dǎo)體裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供半導(dǎo)體裝置的制造方法、半導(dǎo)體裝置，其通過簡易的制造方法獲得利用焊錫進(jìn)行接合情況下的高可靠性。首先，使溫度上升到預(yù)熱溫度（區(qū)域Ⅰ：升溫步驟）。接著，該預(yù)熱溫度被保持50～120秒鐘（區(qū)域Ⅱ：預(yù)熱步驟）。預(yù)熱溫度為比環(huán)氧樹脂的硬化溫度（180℃）低20～40℃的溫度，這里約為150℃。然后，使峰值溫度為比金屬粒子（焊錫）52的熔點(diǎn)（220℃）高的260～280℃范圍，例如為250℃，并保持30～50秒鐘（區(qū)域Ⅲ：熔化步驟）。在該制造方法中，在預(yù)熱步驟中，成為在未硬化的狀態(tài)下焊劑包圍半導(dǎo)體芯片的外周部的形態(tài)。然后，在熔化步驟中，密集狀態(tài)的金屬粒子熔化并熔合。
【專利說明】半導(dǎo)體裝置的制造方法、半導(dǎo)體裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及具有在金屬板上搭載有半導(dǎo)體芯片的結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體裝置的制造方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]一般而言，在使用半導(dǎo)體芯片時，形成為具有如下結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體裝置:在金屬板上搭載有半導(dǎo)體芯片的結(jié)構(gòu)被封裝到絕緣性塑模樹脂層中，作為端子的引線從塑模樹脂層導(dǎo)出。
[0003]圖5是從上面觀察該半導(dǎo)體裝置90的一個例子的透視圖。這里，在作為橫長的矩形體形狀的塑模樹脂層91中，設(shè)有兩個下墊板(金屬板)。在該結(jié)構(gòu)中，半導(dǎo)體芯片92搭載于下墊板93，半導(dǎo)體芯片94搭載于下墊板95。引線96在上側(cè)、下側(cè)分別具有4根，設(shè)置為從塑模樹脂層91導(dǎo)出。引線96中的一部分與鄰接的下墊板93、95 —體化，其他的引線96與下墊板93、95絕緣。半導(dǎo)體芯片92、94中的電極、下墊板93、95、各引線96之間利用細(xì)的焊線(bonding wire) 97進(jìn)行連接，以使它們構(gòu)成期望的電路。焊線97也被封裝在塑模樹脂層91中。例如，可以采用功率半導(dǎo)體芯片作為半導(dǎo)體芯片92，采用對該功率半導(dǎo)體芯片進(jìn)行控制的控制IC芯片作為半導(dǎo)體芯片94。
[0004]這里，半導(dǎo)體芯片92、94大多通過焊錫分別接合于下墊板93、95。在該情況下，若在半導(dǎo)體芯片92、94的背面形成電極，則該電極與下墊板93、95之間的電接合以及半導(dǎo)體芯片92、94的固定都可以利用該焊錫來進(jìn)行。
[0005]為了利用該焊錫進(jìn)行接合，大多采用焊錫膏。作為焊錫膏，采用:由成為焊錫主要成分的金屬(合金)構(gòu)成的粒子(金屬粒子)混合在未硬化的樹脂材料(焊劑(flux))中而成的材料。該焊錫膏通過例如絲網(wǎng)印刷形成于金屬板上。之后，在半導(dǎo)體芯片搭載在其上之后進(jìn)行加熱，金屬粒子熔化之后進(jìn)行固化，由此進(jìn)行了接合。此時，金屬粒子熔化之后適度擴(kuò)散后固化，由此進(jìn)行了良好的接合。焊劑是為了成為能夠涂布金屬粒子的狀態(tài)而使用的，但還起到除去金屬粒子或金屬板表面的氧化膜、活化金屬板表面而提高對焊錫膏的潤濕性等作用，對強(qiáng)化焊錫的接合也是有效的。
[0006]專利文獻(xiàn)I中記載了如下技術(shù):當(dāng)利用焊錫膏對半導(dǎo)體芯片進(jìn)行凸塊接合時，在接合的電極表面形成預(yù)槽，由此控制焊錫的潤濕擴(kuò)散，能夠獲得沒有短路或不良接合的良好接合。
[0007]此外，在專利文獻(xiàn)2中記載有利用環(huán)氧樹脂作為焊錫膏中的焊劑主要成分。一般而言，接合后殘留的焊劑成分會成為連接焊線等時的障礙。因此，大多通過清洗來除去殘留的焊劑成分，之后連接焊線等。相對于此，在專利文獻(xiàn)2中記載的技術(shù)中，成為硬化后的環(huán)氧樹脂仍舊殘留的狀態(tài)。由此，能夠加強(qiáng)焊錫的接合和提高接合的可靠性。
[0008]專利文獻(xiàn)1:日本特開2009-4463號公報(bào)
[0009]專利文獻(xiàn)2:日本特開2003-124400號公報(bào)
[0010]但是，在專利文獻(xiàn)I記載的技術(shù)中，需要對接合的面進(jìn)行加工。這里，接合的面是指半導(dǎo)體芯片的背面和金屬板。在該加工中需要新的步驟，特別是在與專利文獻(xiàn)I記載的凸塊接合的情況不同、接合面的面積很大時，制造步驟變得復(fù)雜。因此，從降低制造成本的觀點(diǎn)出發(fā)，優(yōu)選追加這樣的步驟。此外，雖然金屬板的表面加工是可能的，但實(shí)際上很難加工半導(dǎo)體芯片的背面。
[0011]此外，金屬粒子熔化而形成熔合的接合層，該接合層與接合的半導(dǎo)體芯片、金屬板表面之間形成牢固的合金層，由此能夠獲得高接合強(qiáng)度。此時，在接合層中形成有空洞的情況下，很難獲得高接合強(qiáng)度。在利用焊錫膏進(jìn)行接合時，金屬粒子熔化并熔合時形成的空隙在冷卻后成為空洞。在專利文獻(xiàn)2中記載的技術(shù)中，在金屬粒子熔化的時刻，其周圍的環(huán)氧樹脂已硬化的情況下，該環(huán)氧樹脂成為接合時空氣從熔化的金屬粒子間排出的障礙，因此在焊錫層中容易產(chǎn)生空洞。因此，難以確保接合中的高可靠性。該問題與凸塊接合那樣接合面積小的情況相比，在接合半導(dǎo)體芯片的整個背面時接合面積大的情況下特別顯著。
[0012]S卩，通過簡易的制造方法難以獲得利用焊錫進(jìn)行接合情況下的高可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明正是鑒于上述問題而完成的，其目的在于提供解決上述問題的發(fā)明。
[0014]本發(fā)明為了解決上述課題，形成了下面揭示的結(jié)構(gòu)。
[0015]本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法，將焊錫膏夾在半導(dǎo)體芯片與金屬板之間來接合所述半導(dǎo)體芯片和所述金屬板，該制造方法的特征在于，所述焊錫膏包含85?90wt%(重量百分比)的金屬粒子、作為焊劑的環(huán)氧樹脂、具有活化效果的硬化劑和活化劑，該制造方法具有芯片焊接(die bond)步驟，在該芯片焊接步驟中，在焊錫接合后，利用未硬化的所述環(huán)氧樹脂覆蓋焊錫接合的外周側(cè)面和所述半導(dǎo)體芯片的外周側(cè)面的至少一部分。
[0016]本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法中，其特征在于，所述環(huán)氧樹脂由熱硬化性環(huán)氧樹脂構(gòu)成，該熱硬化性環(huán)氧樹脂的硬化溫度比所述金屬粒子的熔點(diǎn)低，所述芯片焊接步驟具有:預(yù)熱步驟，在比所述硬化溫度低20?40°C的溫度下，在50?120秒鐘的時間內(nèi)，對層疊體進(jìn)行保持，該層疊體是由所述半導(dǎo)體芯片、所述環(huán)氧樹脂處于未硬化狀態(tài)的所述焊錫膏和所述金屬板層疊而成的；熔化步驟，在所述預(yù)熱步驟之后，將所述層疊體加熱到比所述金屬粒子的熔點(diǎn)高的溫度以上；和冷卻步驟，在所述熔化步驟之后，對所述層疊體進(jìn)行冷卻。
[0017]本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法的特征在于，在所述冷卻步驟后，在比所述硬化溫度低10?40°C的溫度下保持所述層疊體，使所述環(huán)氧樹脂完全硬化。
[0018]本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的特征在于，該半導(dǎo)體裝置是通過所述半導(dǎo)體裝置的制造方法來制造的。
[0019]本發(fā)明如上所述那樣構(gòu)成，因此能夠通過簡易的制造方法獲得利用焊錫進(jìn)行接合情況下的高可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是表示本發(fā)明實(shí)施方式涉及的半導(dǎo)體裝置的制造方法的步驟剖視圖。
[0021]圖2是表示在本發(fā)明實(shí)施方式涉及的半導(dǎo)體裝置的制造方法中采用的接合步驟中的溫度曲線的圖。
[0022]圖3是通過作為實(shí)施例的制造方法制造的半導(dǎo)體裝置的外觀照片。[0023]圖4是通過作為實(shí)施例的制造方法制造的半導(dǎo)體裝置的截面SEM照片。
[0024]圖5是一般的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)的透視圖。
[0025]符號說明
[0026]10,92,94:半導(dǎo)體芯片；20、93、95:金屬板(下墊板)；50:焊錫膏；51:焊劑(樹脂材料)；52:金屬粒子(焊錫粉末)；53:接合層；91:塑模樹脂層；96:引線；97:焊線。
【具體實(shí)施方式】
[0027]以下，對作為本發(fā)明實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的制造方法進(jìn)行說明。圖1是表示通過該制造方法制造的半導(dǎo)體裝置的步驟剖視圖。這里所示的是半導(dǎo)體芯片10接合于金屬板(下墊板)20時(芯片焊接步驟)的截面。該接合是利用焊錫膏50進(jìn)行的。而且，實(shí)際上，如圖5所示，在該接合之后，執(zhí)行如下等步驟，來制造半導(dǎo)體裝置:通過對半導(dǎo)體芯片10、金屬板20連接焊線，將連接了焊線之后的整個結(jié)構(gòu)封裝在塑模樹脂層中。在這些步驟中，與通常所知的技術(shù)相同，因此省略說明。下面僅對芯片焊接步驟進(jìn)行說明。
[0028]首先如圖1 (a)所示，通過絲網(wǎng)印刷等方法將焊錫膏50構(gòu)圖并涂布在金屬板20上。焊錫膏50構(gòu)成為在焊劑(樹脂材料)51中混合分散有作為焊錫的金屬粒子(焊錫粉末)52。焊劑51在焊錫膏50中的含量例如約為13質(zhì)量％。焊劑51由例如樹脂(環(huán)氧樹脂，液狀雙酚A型)，具有活性硬化的硬化劑(酐)，溶劑(乙二醇類)，觸變劑(胺類)，活化劑(有機(jī)酸)構(gòu)成。焊錫膏50的粘度在涂布的狀態(tài)下例如約為70?130Pa.S。
[0029]金屬粒子52例如由銀(Ag) -銅(Cu) -錫(Sn)合金構(gòu)成，例如可以使用以Sn為主要成分、Ag和Cu分別約為3質(zhì)量％和0.5質(zhì)量％的材料。其平均粒徑約為25?45 μ m。金屬粒子52在焊錫膏50中的組成約為85?90wt%。
[0030]在緊隨涂布完焊錫膏50之后的狀態(tài)下，焊劑51處于未硬化的狀態(tài)，具有適度的粘度，因此焊錫膏50能夠維持圖1的(a)中的形狀。而且，此時的焊錫膏50的平面形狀與所接合的半導(dǎo)體芯片10的平面形狀大致相等。由此，能夠接合半導(dǎo)體芯片10的整個下表面。
[0031]下面，如圖1的(b)所示，在該狀態(tài)下，將半導(dǎo)體芯片10搭載到焊錫膏50之上。利用焊錫膏50 (焊劑51)的粘度維持該狀態(tài)。
[0032]然后，將該半導(dǎo)體芯片10、焊錫膏50、金屬板20的層疊結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)體)投入回流焊爐中進(jìn)行熱處理。由此，焊錫膏50中的金屬粒子52熔化之后固化，進(jìn)行半導(dǎo)體芯片10與金屬板20之間的接合(接合步驟)。圖2表示接合步驟中的溫度曲線(溫度隨時間的變化)的一個例子。這里，作為焊劑51主要成分的環(huán)氧樹脂的硬化溫度為180°C，金屬粒子52的熔點(diǎn)為比其高的220°C。具體而言，接合步驟由升溫步驟(區(qū)域I )、預(yù)熱步驟(區(qū)域II)、熔化步驟(區(qū)域III)、冷卻步驟(區(qū)域IV)構(gòu)成，在回流焊爐中，在氮環(huán)境下進(jìn)行。該接合步驟中的特征是在熔化步驟之前設(shè)置在比環(huán)氧樹脂的硬化溫度低的溫度下在一定時間內(nèi)保持的預(yù)熱步驟。
[0033]在圖2中，首先使溫度上升到預(yù)熱溫度(區(qū)域1:升溫步驟)。接著，該預(yù)熱溫度被保持50?120秒鐘(區(qū)域I1:預(yù)熱步驟)。預(yù)熱溫度為比環(huán)氧樹脂的硬化溫度(180°C)低20?40°C的溫度，本實(shí)施方式中約為150°C。在該步驟中，進(jìn)行焊劑51中的有機(jī)溶劑的氣化、焊劑51的活化、焊劑51中的金屬粒子52和金屬板20表面的氧化物去除。另一方面，由于不進(jìn)行硬化反應(yīng)且提高了焊劑51的活化，因此構(gòu)成焊劑51的環(huán)氧樹脂潤濕擴(kuò)散。此夕卜，預(yù)熱溫度比金屬粒子52的熔點(diǎn)低，因此金屬粒子52的形態(tài)不發(fā)生變化。而且，優(yōu)選升溫步驟的時間短些，以縮短整個接合步驟的時間，且延長預(yù)熱步驟的時間。
[0034]因此，預(yù)熱步驟之后，如圖1的(C)所示，半導(dǎo)體芯片10下部的焊錫膏50變薄，成為半導(dǎo)體芯片10的下部僅由金屬粒子52支承的形態(tài)。另一方面，焊劑51潤濕擴(kuò)散，通過表面張力包圍半導(dǎo)體芯片10的外周側(cè)面，成為半導(dǎo)體芯片10的外周部由硬化前的焊劑51覆蓋的形態(tài)。半導(dǎo)體芯片10正下方的金屬粒子52間的溶劑51的量變少，成為金屬粒子52密集的狀態(tài)。此外，混合的環(huán)氧樹脂活化，還原金屬表面，提高焊錫潤濕度。
[0035]之后，使峰值溫度為比金屬粒子(焊錫)52的熔點(diǎn)(220°C)高的260?280°C范圍、例如250°C，并保持30?50秒鐘(區(qū)域II1:熔化步驟)。此時，由于達(dá)到焊劑51的硬化溫度之后超過金屬粒子52的熔點(diǎn)，因此，首先焊劑51開始硬化，然后金屬粒子52熔化。其中，焊劑51從開始硬化反應(yīng)到充分硬化需要時間，因此實(shí)際上在金屬粒子52開始熔化的時刻，焊劑51還未硬化。另一方面，金屬粒子52在溫度超過其熔點(diǎn)的情況下迅速熔化，金屬粒子52的熔合推進(jìn)。
[0036]在該制造方法中，成為在預(yù)熱步驟中焊劑51在未硬化狀態(tài)下包圍半導(dǎo)體芯片10的外周部的形態(tài)。然后，在熔化步驟中，密集狀態(tài)的金屬粒子52熔化并熔合。此時，焊劑51還未完全硬化，因此成為空氣從金屬粒子52間排出的通道。因此，不易形成空洞。另一方面，半導(dǎo)體芯片10固定于金屬板20的狀態(tài)通過存在于外周的焊劑51來保證。因此，在該步驟中難以發(fā)生半導(dǎo)體芯片10的位置偏差。
[0037]其中，預(yù)熱步驟中的溫度為比硬化溫度低80°C的溫度更低、或者預(yù)熱步驟的時間為比50秒鐘短的情況下，預(yù)熱步驟的效果不充分。即、焊劑51難以成為圖1的(C)的形態(tài)。此外，該溫度為比硬化溫度低15°C的溫度高(接近硬化溫度)、或者預(yù)熱步驟的時間比120鐘秒長時，焊劑51在接下來的熔化步驟中的早的時刻硬化，因此容易在接合層53中產(chǎn)生空洞。
[0038]然后，進(jìn)行冷卻(區(qū)域IV:冷卻步驟)。隨著溫度降低，熔化的金屬粒子52在熔合的狀態(tài)下固化，形成接合層53。焊劑51在包圍接合層53周圍的狀態(tài)下硬化，因此成為圖1的(d)所示的形態(tài)。此時，如前所述，抑制了在接合層53中產(chǎn)生空洞。這里，花費(fèi)30?60秒鐘，在從270°C到100°C的溫度范圍(溫度差170°C)內(nèi)進(jìn)行冷卻。以上，芯片焊接步驟結(jié)束。
[0039]為了進(jìn)一步推進(jìn)焊劑51的硬化以獲得充分的強(qiáng)度(完全硬化)，有效的是:在與預(yù)熱溫度相同程度的溫度下，比環(huán)氧樹脂的硬化溫度(180°C)低10?40°C的溫度、例如150°C下，進(jìn)行長時間(約5小時)的固化處理(固化步驟)。由此，焊劑51也能獲得充分的強(qiáng)度。而且，在進(jìn)行該固化處理時，焊劑51中的氣泡被除去。
[0040]這里，關(guān)于緊隨芯片焊接步驟(冷卻步驟)之后的焊劑51的狀態(tài)與緊隨固化步驟后的焊劑51的狀態(tài)(完全硬化的狀態(tài))，在實(shí)驗(yàn)基板上印刷上述焊錫膏50，搭載芯片部件并進(jìn)行接合，在接合后測定與實(shí)驗(yàn)基板緊密接合的焊劑殘?jiān)姆峙鋸?qiáng)度并進(jìn)行評價。在該實(shí)驗(yàn)(測定)中，緊隨冷卻步驟之后的分配強(qiáng)度為20N，緊隨固化步驟之后的分配強(qiáng)度為40N。這樣，在上述的制造方法中的特征在于，焊劑51不是在冷卻步驟之后馬上硬化。
[0041]一般而言，焊接中使用的焊劑成分大多在接合后被除去，但該硬化的焊劑51(環(huán)氧樹脂)不需要除去，就能夠?qū)⒑妇€等接合到半導(dǎo)體芯片10和金屬板20。此外，通過硬化的焊劑51，加強(qiáng)接合層53。此外，保持半導(dǎo)體芯片，并提高了接合強(qiáng)度。對于這一點(diǎn)，與專利文獻(xiàn)2中記載的技術(shù)是相同的。
[0042]然后，將焊線連接于半導(dǎo)體芯片10、金屬板20等，然后將它們封裝起來并形成塑模樹脂層，由此能夠獲得半導(dǎo)體裝置。在上述的例子中，對在單一金屬板上搭載單一的半導(dǎo)體芯片的例子進(jìn)行了記載，但實(shí)際上大多利用多個金屬板(下墊板)且在同一金屬板上搭載多個半導(dǎo)體芯片。此外，采用在排列有與多個半導(dǎo)體裝置相當(dāng)?shù)亩鄠€金屬板的結(jié)構(gòu)的引線框架，在各個金屬板上分別搭載半導(dǎo)體芯片，連接焊線之后分別形成塑模樹脂層，由此制造多個半導(dǎo)體裝置。然后，通過適當(dāng)?shù)厍袛嘁€框架，獲得各個半導(dǎo)體裝置。
[0043]圖3是從上面觀察通過上述的制造方法制造的半導(dǎo)體裝置的外觀照片。在該結(jié)構(gòu)中，搭載有多個半導(dǎo)體芯片10，但無論關(guān)于哪個半導(dǎo)體芯片10，都確認(rèn)了包圍半導(dǎo)體芯片10外周并硬化的焊劑51。
[0044]圖4是與圖3同樣的半導(dǎo)體裝置中的半導(dǎo)體芯片端部的界面的電子顯微鏡(SEM)照片。這里，也形成有圖5的塑模樹脂層91。與塑模樹脂層91不同，能夠確認(rèn)焊劑51形成為在半導(dǎo)體芯片10的外周部擴(kuò)散到約180 μ m進(jìn)行包圍。另一方面，能夠確認(rèn)在厚度約為30 μ m的接合層53中未發(fā)現(xiàn)空洞，形成了良好的接合。接合層53的端部、半導(dǎo)體芯片10的側(cè)面由焊劑51覆蓋。如上所述，能夠確認(rèn):實(shí)現(xiàn)了圖1的(d)的形狀，獲得了空洞少的接合層53。此外，優(yōu)選焊劑51覆蓋半導(dǎo)體芯片10的側(cè)面的2/3以上。
[0045]而且還可知，即使在焊劑、金屬粒子的組成與上述例子不同的情況下，如要具有同樣特性、特別是焊劑的硬化溫度或金屬粒子的熔點(diǎn)等相等時，就能獲得同樣的效果。
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，將焊錫膏夾在半導(dǎo)體芯片與金屬板之間來接合所述半導(dǎo)體芯片和所述金屬板， 該制造方法的特征在于， 所述焊錫膏包含85重量百分比?90重量百分比的金屬粒子、作為焊劑的環(huán)氧樹脂、具有活化效果的硬化劑和活化劑， 該制造方法具有芯片焊接步驟，在該芯片焊接步驟中，在焊錫接合后，利用未硬化的所述環(huán)氧樹脂覆蓋焊錫接合的外周側(cè)面和所述半導(dǎo)體芯片的外周側(cè)面的至少一部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于， 所述環(huán)氧樹脂由熱硬化性環(huán)氧樹脂構(gòu)成，該熱硬化性環(huán)氧樹脂的硬化溫度比所述金屬粒子的熔點(diǎn)低， 所述芯片焊接步驟具有: 預(yù)熱步驟，在比所述硬化溫度低20°C?40°C的溫度下，在50?120秒鐘的時間內(nèi)，對層疊體進(jìn)行保持，該層疊體是由所述半導(dǎo)體芯片、所述環(huán)氧樹脂處于未硬化狀態(tài)的所述焊錫膏和所述金屬板層疊而成的； 熔化步驟，在所述預(yù)熱步驟之后，將所述層疊體加熱到比所述金屬粒子的熔點(diǎn)高的溫度以上；和 冷卻步驟，在所述熔化步驟之后，對所述層疊體進(jìn)行冷卻。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于， 在所述冷卻步驟后，在比所述硬化溫度低10°c?40°C的溫度下保持所述層疊體，使所述環(huán)氧樹脂完全硬化。
4.一種半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 該半導(dǎo)體裝置是通過權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法來制造的。
5.一種半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 該半導(dǎo)體裝置是通過權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法來制造的。
【文檔編號】H01L23/488GK103681385SQ201310012644
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年1月14日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月31日
【發(fā)明者】佐藤慧 申請人:三墾電氣株式會社