半导体装置的制造方法、隔热负荷夹具及其设置方法
【专利摘要】本发明的隔热负荷夹具(11)在电路基板(12)和半导体芯片(13)之间夹着在半导体芯片(13)的耐热温度～100℃以下的范围内具有熔点或固相线温度的焊料材料(14)，在该状态的半导体芯片(13)的上部设置热绝缘体(17)，在热绝缘体(17)的上部配置金属锤(16)，在使焊料材料(14)熔解而固化的期间，对半导体芯片(13)施加负荷。
【专利说明】半导体装置的制造方法、隔热负荷夹具及其设置方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及利用高温焊料接合材料接合半导体元件和基板而构成的半导体装置的制造方法、用于高温焊料材料的接合的隔热负荷夹具及隔热负荷夹具的设置方法。
【背景技术】
[0002]与现有的硅(Si)或砷化镓(GaAs)的半导体装置相比，使用了碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)、金刚石(C)等宽带隙半导体的功率半导体装置的导通电阻低，且能够以较高的半导体接合温度(Tj)进行高电压、大电流的动作。因此，期待在半导体装置的小面积化的同时，大幅度简化冷却器，能够实现小型轻量且廉价的功率电子系统。
[0003]在这种功率半导体装置的与导电性基板接合的接合部分(所谓的利用焊料进行的芯片焊接)显然要求较高的耐热性。因此，作为这些功率半导体装置的焊料材料，探讨有高熔点的AuGe共晶焊料(熔点356°C ) ,AuSi共晶焊料(熔点363°C ) ,ZnAl共晶焊料(熔点380°C )等(非专利文献I?3，专利文献I)。
[0004]但是，若使用这些高温焊料材料形成半导体装置的接合，则如非专利文献I的图6或专利文献2的图8a所示，容易在高温焊料层产生空隙，而该空隙的减少成为重要的开发课题(第一现有技术)。
[0005]在此，用于抑制芯片接合焊料的空隙产生的公知方法是，在半导体装置上载置金属制的锤，在该状态下进行加热，使焊料回流。作为最精制的焊料夹具的具体例之一，可以列举例如非专利文献3的图22 (第二现有技术)。
[0006]专利文献1:(日本)特开2009 - 125753号公报
[0007]非专利文献1:S.Tanimoto el al, Proceedings of IMAPS HiTEC 2010 (May 11 —13,2010,Albuquerque, New Mexico, USA), pp.32 — 39.
[0008]非专利文献2:Y.Yamada el al, Microelectronics Reliability Vol.47 (2007)pp.2147 - 2151.
[0009]非专利文献3:Michael J.Palmer al, Proceedings of IMAPS HiTEC 2010 (May11 — 13，2010, Albuquerque, New Mexico, USA), pp.316 — 324.
[0010]但是，如果采用上述的第二现有技术使功率半导体装置和基板利用高温焊料接合，虽然实现空隙的减轻，但功率半导体装置受到热损伤，常发生不良情况或可靠性劣化，因此，具有不能实际应用的问题。此时的不良情况(或可靠性降低)的模式为栅极一源极(基极一发射极)之间的短路、绝缘不良或栅极绝缘膜的耐压降低等。
【发明内容】
[0011]因此，本发明是鉴于上述情况而设立的，本发明的第一目的在于提供一种不产生热损伤的高温焊料空隙减少技术。另外，本发明的第二目的在于采用该改良技术实现减少了空隙的高温焊料芯片接合、功率半导体装置。
[0012]本发明通过在电路基板和半导体芯片之间夹着在半导体芯片的耐热温度?100°C以下的范围内具有熔点或固相线温度的焊料材料，在从半导体芯片的上部经由热绝缘体施加负荷的状态下使焊料材料熔解并固化，从而将电路基板和半导体芯片接合。由此，本发明实现上述两个目的。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是表示使用了本发明的隔热负荷夹具的回流装置的构成的框图；
[0014]图2是表示本发明第一实施例的隔热负荷夹具的构造的剖面图；
[0015]图3是表示本发明的隔热负荷夹具的热绝缘体的构造的图；
[0016]图4是表示本发明第一实施例的隔热负荷夹具的设置方法的顺序的流程图；
[0017]图5是表示使用了本发明的隔热负荷夹具的回流工序的顺序的流程图；
[0018]图6是用于说明使用了本发明的隔热负荷夹具的半导体装置的制造方法的效果的图；
[0019]图7是表示本发明第二实施例的隔热负荷夹具的构造的剖面图；
[0020]图8是表示本发明第二实施例的隔热负荷夹具的设置方法的顺序的流程图；
[0021]图9是表示本发明第三实施例的隔热负荷夹具的构造的剖面图；
[0022]图10是表示本发明第三实施例的隔热负荷夹具的设置方法的顺序的流程图；
[0023]图11是表示本发明第四实施例的隔热负荷夹具的构造的剖面图；
[0024]图12是表示本发明第五实施例的隔热负荷夹具的构造的剖面图；
[0025]图13是表示本发明第五实施例的隔热负荷夹具的设置方法的顺序的流程图。
[0026]标记说明
[0027]1:回流装置
[0028]2a、2b:腔室
[0029]3:排气装置
[0030]4:气体供给装置
[0031]5:基座
[0032]6:灯加热器
[0033]7:程序控制装置
[0034]10:接合试样
[0035]11、31、41、45、60:隔热负荷夹具
[0036]12:SiN 基板
[0037]13:SiC功率芯片
[0038]14:AuGe 焊料
[0039]l5a、l5b:Cu 电路板
[0040]16、36:金属锤
[0041]17、37:热绝缘体
[0042]18、46:芯片校准板
[0043]19、39、47、61:锤支承板
[0044]20a、21b、49、50:连结柱
[0045]42、62:重心稳定化框架
[0046]70:热绝缘体负荷
【具体实施方式】
[0047]以下，参照附图对应用了本发明的第一?第五实施例进行说明。
[0048][第一实施例]
[0049]参照图1?图4说明使用了本发明的隔热负荷夹具的半导体装置的制造方法的第一实施例。此外，这些图是为了容易理解本发明而示意性地表示的图，厚度和平面尺寸的关系或各层的厚度比率等被放大记载。
[0050]另外，在以下的说明中，以作为半导体装置而使用SiC功率元件芯片的情况、作为电路基板而使用在SiN陶瓷板的两面贴附Cu板作为电路导体的电路基板(以下，有时简称为基板)的情况、作为高温焊料而使用AuGe共晶焊料的情况为例进行说明。但是，这些为一例，作为半导体功率元件，即使是GaN元件、金刚石元件、ZnO元件等其它宽带隙半导体元件，即使是用于高温用途的Si半导体元件(功率元件或SOI元件、传感器元件)，也可同样适用。另外，电路导体不限于在SiN陶瓷板上贴附的Cu板，也可以是在其它种类的陶瓷基板上贴附的Cu板，还可以是在其它种类的陶瓷基板(A1203或AlN等)或绝缘体上贴附的Cu板以外的金属板(Al或CuMo等)，另外，也可以是由Cu板或Cu以外的金属单体(无陶瓷板或绝缘板等)构成的单纯的金属板(在该情况下，金属板本身成为电路基板)。另外，高温焊料能够定义为在使用的半导体装置的耐热温度?100°C以下的范围内具有熔点或固相线温度的焊料，既可以是Au — Si或Zn — Al，也可以是除此以外的材料。
[0051][回流装置的构成]
[0052]对本发明中使用的高温焊料接合形成装置的整体构成进行说明。
[0053]图1是使用本发明的隔热负荷夹具的接合装置的主要部分截面示意图。标记I是通用的回流装置，其具备:密封式腔室2a、2b ;将腔室内部减压的排气装置3 ;向腔室内部送出低露点的惰性气体如或队)的气体供给装置4。在腔室内部设置有由碳或Al构成的水平放置的基座5、和能够快速加热基座5的灯加热器6。腔室内部的环境及基座5的温度由程序控制装置7控制。
[0054]在基座5之上放置接合试样10,在接合试样10之上载置用于对接合试样10隔热性地施加负荷的隔热负荷夹具11。
[0055]图2是接合试样10和隔热负荷夹具11的详细图，表示接合之前的状态。
[0056]接合试样10由与基座5相接设置的SiN(氮化硅)基板12、SiC功率芯片13、夹持在SiN基板12和SiC功率芯片13之间的AuGe共晶焊料片材(或膏)14构成，在SiN基板12的两面利用银焊料(未表示)等贴附有Cu电路板15a、15b。在该Cu电路板15a、15b的表面上实施镀Ni/Au(未表示)。Cu电路板15a、15b表面的覆膜根据高温焊料的种类而适当变更。例如，在共晶ZnAl焊料的情况下，优选为Ni/Cu。另外，在SiC功率芯片13的背面即接合面上覆盖有Ti/Ni/Ag等通常的焊料用金属镀层(未表示)。
[0057]—隔热负荷夹具11至少由柱状(圆柱或棱柱)的金属性金属锤16、配设于金属锤16和SiC功率芯片13之间的热绝缘体17构成，根据需要，能够附设芯片对准板18、锤支承板 19、连结柱 20a,20b...。
[0058]金属锤(金属负荷装置)16以与现有技术的金属锤相同的方式作为对SiC功率芯片13施加的负荷的发生源发挥作用。能够以热绝缘体17为媒介而对SiC功率芯片13施加与现有技术同等的负荷。形状优选易取得力学上的平衡的圆柱或多棱柱，但不限定于此。金属锤16的重量以芯片负荷(压力)至少为0.lg/cm2以上，优选为0.3g/cm2以上的方式确定。
[0059]热绝缘体(热绝缘装置)17发挥截断(精确有力地抑制)SiC功率芯片13和金属锤16之间的导热的作用。S卩，在SiC功率芯片13的温度较高时，截断热从SiC功率芯片13向金属锤16的移动，在金属锤16的温度较高时，截断其反向的流动。通过这种热绝缘体17的隔热作用，SiC功率芯片13不会受到热容量非常大的金属锤16的热影响，能够随着基座5的温度变化而快速地升温、快速地降温。作为热绝缘体17的材质，优选氧化铝或导热率比氧化铝低且充分承受回流温度的绝缘体(例如块滑石磁器、硼硅玻璃等)。热绝缘体17的形状可使用例如图2所示那样的平坦的圆柱状或多棱柱状的单纯的颗粒，但为了进一步提高隔热效果，更优选形成为限制SiC功率芯片13和金属锤16的导热的形状。作为这种构造，在从SiC功率芯片13通向金属锤16的导热路径中，至少在一处具备细芯构造。例如，具有图3所示那样的立锥(圆锥或多棱锤)或倒立锥，或图钉形(正立、倒立)、针状形等。但是，倒立锥及倒立图钉形、倒立针状形的尖端为了不损伤SiC功率芯片13的表面电极，形成为带有RlOOym程度的圆弧的形状。另外，将热绝缘体17的构造形成为多孔质(浮石状)也是极其有效果的。另外，使SiC功率芯片13或金属锤16的接触面粗糙面化也具有相应的效果。
[0060]此外,热绝缘体17和金属锤16也可以一体化而设为热绝缘体负荷(热绝缘负荷装置)。
[0061]芯片对准板(芯片对准装置)18 (图2)具备相对于SiN基板12的对准功能，在SiN基板12的规定位置具有用于配置焊料片材和SiC功率芯片的芯片贯通口。芯片对准板18为热容量较小的材料，例如为石墨或氧化铝制，主要的作用是作为用于在SiN基板12的规定位置配置SiC功率芯片13的样板发挥作用。进行使SiN基板12 —意地嵌入在下面雕刻的凹部而进行对准。在用于配置SiC功率芯片13的位置(必然成为Cu电路板15a上的位置)上开设有比SiC功率芯片13稍大的芯片贯通口。
[0062]锤支承板(锤支承装置)19配置在从芯片对准板18向上方离开规定距离的位置，具备相对于芯片对准板18或SiN基板12的对准功能，在与芯片贯通口的位置对应的位置具有锤贯通口。锤支承板19也与芯片对准板18同样地，由热容量较小的材料(石墨或氧化铝等)形成，具备用于确定设置金属锤16的位置的功能和防止金属锤16在接合处理中颠倒的功能。
[0063]连结柱20a、20b...是以规定的位置关系连结芯片对准板18和锤支承板19并进行固定的部件。为了实现该功能，在锤支承板19和芯片对准板18的规定位置设有连结柱能够少间隙地插入的插入孔。为了提高隔热负荷夹具11的安装操作性，优选固定锤支承板19和连结柱20a、20b...的连结，使芯片对准板18和连结柱20a、20b...的连结拆装自如或形成其相反的构成。
[0064][隔热负荷夹具的设置方法]
[0065]接着，参照图4说明上述的高温焊料接合装置中使用的隔热负荷夹具的设置方法。
[0066]首先，在步骤SlOl中，准备需要量的SiC功率芯片13和SiN(氮化硅)基板12，使用丙酮或异丙醇等有机溶剂进行洗净，除去附着于这些前体材料表面的污染物。在此，SiC功率芯片13是要应用的SiC功率半导体元件，准备MOSFET或JFET、BJT等功率芯片、肖特基二极管或Pn结二极管等功率芯片等必要的芯片。
[0067]接着，在步骤S102中，打开图1的回流装置I的腔室2a，在基座5上设置SiN基板12(图2)。然后，在步骤S103中，使芯片对准板18—边对准一边覆盖在SiN基板12上。放置芯片对准板18后，接着在步骤S104中，使AuGe共晶焊料片材14和SiC功率芯片13依次落下并设置在设于芯片对准板18的开口部即芯片贯通口，在步骤S105中，在SiC功率芯片13上设置热绝缘体17。此时，显然使SiC功率芯片13的接合面(背面)与AuGe共晶焊料片材14相接而设置。在热绝缘体17与金属锤16成为一体的情况下，热绝缘体17在设置之后的金属锤16时一起设置。
[0068]接着，在步骤S106中，将插入连结柱20a、20b...的状态下的锤支承板19安装在芯片对准板18上。该动作通过向在芯片对准板18上雕刻的规定孔正确地插入连结柱20a、20b...而执行。
[0069]最后，在步骤S107中，穿过锤支承板19的锤贯通口，在热绝缘体17上设置金属锤16，由此，隔热负荷夹具11的设置结束。
[0070][回流工序的处理]
[0071]接着，上述的隔热负荷夹具11的设置结束后，关闭图1的回流装置I的腔室2a而执行回流工序。
[0072]以下，参照图5说明回流工序的处理。此外，该回流工序中的温度控制或气体送出控制、排气控制根据来自上述的程序控制装置7的指令进行。
[0073]首先，在步骤S201中，使回流装置I的排气装置3动作，进行腔室2a、2b内部的排气。如果腔室2a、2b内部的压力成为5毫巴以下，则从气体供给装置4导入低露点的惰性气体。进行数次该操作，利用惰性气体置换试样室内的空气。
[0074]惰性气体的置换结束后，接着在步骤S202中进行预加热。对灯加热器6通电而加热基座5，将SiN基板12和SiC功率芯片13的温度升温至大概200°C，保持该温度约两分钟。此时,也可以导入含有甲酸蒸气的惰性气体来促进污染有机物的除去。
[0075]接着，在步骤S203中停止惰性气体的导入，使排气装置3动作而进行腔室2a、2b内部的排气，减压至压力为5毫巴以下，并且提高灯加热器6的功率，进一步加热基座5，将SiN基板12和SiC功率芯片13的温度升温至在高温焊料的液相线温度(在AuGe的情况下，356°C=熔点)?最大420°C的温度区域中制定的规定温度并保持。保持时间最长在5分钟以内。例如，利用AuGe焊料将规定的温度设为400°C时的典型的保持时间为I分钟。如果超过熔点(356°C )，则AuGe焊料成为熔液而被隔热负荷夹具11的负荷压碎，此时残留气体等产生的气泡通过负压效果和高温效果的相辅相成而在焊料层外产生并最小化。
[0076]接着，在步骤S204中，向设置成负压状态的腔室2a、2b内导入惰性气体，并立即开始基座5及SiN基板12、SiC功率芯片13的降温。在该惰性气体导入后的短时间内，残存于AuGe焊料熔液的气泡随着外压上升和温度的骤减而极小化，且在该状态下熔液固化，因此，能够形成气泡引起的空隙较少的AuGe接合层。
[0077]另外，SiC功率芯片13夹设热绝缘体17并与高热容量的金属锤16相接，故而与现有技术相比，能够进行SiC功率芯片13的迅速冷却，也能够减少AuGe焊料层和SiC功率芯片13的焊料金属镀层或Cu - SiN基板Cu电路板15a的镀层的固层合金反应(柯肯达尔效应)引起的空隙。
[0078]如果将基座5及SiN基板12、SiC功率芯片13冷却至室温，则在步骤S205中打开腔室2a，卸下隔热负荷夹具11，若取出接合试样10 ( = SiC功率芯片/SiN基板接合体)，则高温焊料接合半导体装置完成并结束本实施例的回流工序。
[0079][第一实施例的效果]
[0080]如以上详细地说明，根据本实施例的隔热负荷夹具，形成为从半导体装置的上部经由热绝缘体施加负荷的构成，故而将半导体装置和负荷之间隔热，能够进行迅速升温、焊料的短时间熔解和迅速降温。由此，能够减少空隙，并且能够避免过度的温度上升和长时间的加热处理，实际上消除半导体装置的热损伤。其结果，能够以较高的成品率实现由空隙较少的高温焊料接合的高可靠功率半导体装置。
[0081]以下，参照图6详细说明本实施例的隔热负荷夹具的效果。图6是将通过本实施例制作的高温焊料(AuGe)接合半导体装置和根据第一现有技术(不使用锤的方法)的高温焊料接合半导体装置比较的典型的微聚焦透射X射线照片。看起来为正方形的SiC芯片的尺寸为2X2mm2。在照片上看起来相对较白的反差为在高温焊料层内存在的空隙(空隙)。
[0082]当比较这些照片时，差异明显。根据本实施例的高温焊料接合半导体装置及其制造方法，与基于第一现有技术的高温焊料接合半导体装置相比，使空隙的占有面积减少至1/10以下。即使本实施例的空隙占有率较高，也为5%以下，典型性地为不足2% (图6的右照片)。还能够以高概率得到完全没有空隙产生的装置。该结果在以下所示的其它实施例中均相同。
[0083]根据以上情况可以说，本发明的高温焊料接合半导体装置及其制造方法解决了作为第一现有技术的问题的“易在高温焊料层产生空隙”之类的问题。
[0084]基于本发明及第二现有技术，在空隙产生变少的条件下分别制作30个高温焊料(AuGe)接合半导体装置，结果，在特性试验中，本发明的半导体装置全部为良品，而第二现有技术的半导体装置中，21个为不良，9个为良品。不良的模式为栅极一源极间的短路或耐电压不足。接着，对本发明的30个半导体装置和第二现有技术的9个半导体装置的良品进行300°C放置试验，结果第二现有技术的半导体装置在100小时以内全部成为不良。而本发明的半导体装置全部完成3000小时的试验，且没有产生不良。
[0085]根据以上情况，可以说本发明的高温焊料接合半导体装置及其制造方法解决了作为第二现有技术的问题的“功率半导体装置由于焊料接合工序而受到热损伤，常发生不良情况或可靠性劣化，因此不能实际应用”之类的问题。
[0086]这样，本发明的高温焊料接合半导体装置及其制造方法能够以较高的成品率提供减少空隙的高温焊料接合高可靠功率半导体装置。
[0087]接着，对本发明的高温焊料接合半导体装置及其制造方法如何能够防止不良或可靠性降低进行说明。
[0088]可知，考虑了生产时的焊料接合的回流温度经验上为熔点(或液相线温度)的约+500C。在AuGe的情况下，其温度为406°C，在AuSi的情况下为413°C，在ZnAl焊料的情况下为430°C。另一方面，通过Si半导体制造技术制作的现在的SiC功率芯片的制造时的耐热性在420°C下为数十分钟的水平。注意到在高温焊料的推荐回流温度和功率芯片的耐热温度之间几乎没有余量的点的本发明的
【发明者】们着眼于第二现有技术的温度履历，基于实验得到以下所示的重要见解。
[0089]在第二现有技术即非专利文献3记载的半导体装置的制造法方法的高温焊料接合工序中，成为SiC功率芯片与热容量较大的金属锤直接相接的构成，故而难以升温，当要在短时间内形成为规定温度时，SiC功率芯片的位置的温度超标而超过耐热温度，引起SiC功率芯片的损伤或较强的劣化。在为了减轻该问题而花费长时间进行升温时，超标消除，但SiC功率芯片停留在规定的回流温度附近的时间变得非常长，在该情况下，也产生芯片的热损伤。暂时成为高温的金属锤在回流后的降温过程中成为热的供给源，而SiC功率芯片的温度难以下降也是引起热损伤的原因之一。
[0090]因此，在理解了这些热损伤的机理的基础上，本
【发明者】进行锐意努力，并最终完成本发明。即，在本发明的高温焊料接合半导体的制造方法的高温焊料接合工序中，形成为经由热绝缘体17对SiC功率芯片13施加金属锤16的负荷的构成。因此，将SiC功率芯片13和金属锤16隔热，并且金属锤16在回流工序中不会成为高温，因此，能够在不引起温度超标的条件下迅速地升温并立即降温。还能够消除SiC功率芯片长时间停留在回流温度附近的危险。这样，本发明的高温焊料接合半导体装置及其制造方法成功解决了作为第二现有技术的重大问题的“功率半导体装置由于焊料接合工序而受到热损伤，常发生不良情况”之类的问题。
[0091]另外，根据本实施例的隔热负荷夹具，具备以拆装自如的方式将芯片对准板18和锤支承板19之间连结的连结柱20a、20b...，因此，能够将芯片对准板18和锤支承板19之间以规定的位置关系连结并固定。
[0092]进而，根据本实施例的隔热负荷夹具，由于将连结柱20a、20b..?固定在芯片对准板18或锤支承板19上，故而能够提高安装操作性。
[0093]另外，根据本实施例的隔热负荷夹具，热绝缘体17在从SiC功率芯片13通向金属锤16的导热路径中，至少在一处具备细芯构造，故而能够进一步提高SiC功率芯片13和金属锤16之间的隔热效果。
[0094]另外，根据本实施例的隔热负荷夹具，由于热绝缘体17具备多孔质构造，故而能够提高SiC功率芯片13和金属锤16之间的隔热效果。
[0095]另外，根据本实施例的隔热负荷夹具，热绝缘体17在SiC功率芯片13或金属锤16的至少一方的接触面上具备粗糙面构造，故而能够提高SiC功率芯片13和金属锤16之间的隔热效果。
[0096]进而，根据本实施例的隔热负荷夹具，由于将金属锤16设为在SiC功率芯片13的焊料接合面上至少产生0.lg/cm2以上的压力的质量，故而能够有效地减少空隙。
[0097]进而，根据本实施例的隔热负荷夹具，将金属锤16设为在SiC功率芯片13的焊料接合面上产生0.3g/cm2以上的压力的质量，因此，能够进一步有效地减少空隙。
[0098][第二实施例]
[0099]接着，对本发明的第二实施例进行说明。第二实施例是与上述第一实施例的隔热负荷夹具11的改进相关的发明，故而只进行与隔热负荷夹具相关的说明，其它部分的说明省略。
[0100][隔热负荷夹具的构成]
[0101]图7表示第二实施例的隔热负荷夹具31的主要部分截面。对与图2相同的构成要素标注与图2相同的标记，故而为了避免冗长，省略说明。标记39为锤支承板，37为棒状的热绝缘体，36为金属锤。
[0102]着眼于与第一实施例的不同点进行详细说明，热绝缘体37比第一实施例长，与SiC功率芯片13相接的面的前端缩小成圆锥状。该热绝缘体37从锤支承板39的开口部向上部突出，且插入设于金属锤36底部的孔，向SiC功率芯片13传递负荷，同时起到隔绝SiC功率芯片13和金属锤36之间的热交换的作用。
[0103]另外，为了使隔热负荷夹具31的拆装容易，优选热绝缘体37固定于金属锤36的构成。固定热绝缘体37的方法容易。例如，只要使小螺纹孔贯通于金属锤36的下部侧面，并利用固定螺丝将热绝缘体37固定住即可。在本实施例中，这样将热绝缘体37和金属锤36 一体化并作为热绝缘体负荷70使用。由此，能够提高安装操作性。
[0104]锤支承板39为热容量较小的材料(石墨或氧化铝等)，具备确定金属锤36的设置位置的功能和在接合处理中将金属锤36的姿势保持垂直的功能。因此，在规定的位置设有仅使热绝缘体37通过的锤贯通孔和固定连结柱20a、20b..?的插入孔。为了提高安装操作性，优选锤支承板39和连结柱20a、20b...的连结固定，芯片对准板18和连结柱20a、20b..?的连结拆装自如，或者相反的构成。为了便于说明，以下，在本实施例中对锤支承板39和连结柱20a、20b...成为一体的情况进行说明。
[0105]由以上构造的说明可知，在本实施例中，热绝缘体37细长且与SiC功率芯片13相接的面被加工成圆锥状，因此，与第一实施例的热绝缘体17相比，隔热性更优异。因此，对于作为第二现有技术的问题的“功率半导体装置由于焊料接合工序而受到热损伤，常发生不良情况或可靠性劣化，因此不能实际实用”之类的问题，能够起到更高的解决效果。
[0106][隔热负荷夹具的设置方法]
[0107]接着，参照图8说明高温焊料接合隔热负荷夹具31的设置方法。
[0108]与实施例1同样地，在除去污染物后(S301)，在基座5上设置SiN基板12(S302)，使芯片对准板18 —边对准一边设置在SiN基板12上(S303)，然后使AuGe共晶焊料片材14和SiC功率芯片13依次落在设于芯片对准板18的开口部上(S304)。
[0109]接着，在步骤S305中，使固定有连结柱20a、20b...的锤支承板39 —边对准一边设置在芯片对准板18上。而且，在步骤S306中，如果使将热绝缘体37和金属锤36的一体化的热绝缘体负荷70插入锤支承板39的锤贯通孔，则如图7所示，结束隔热负荷夹具31的附设。
[0110]然后，如果按照实施例1中说明的那样进行回流工序，则结束本发明的SiC半导体装置的制造方法，并基于本发明完成SiC半导体装置。
[0111]此外，在上述的方法中，说明了由设置锤支承板39，然后设置金属锤36的两个工序构成的作业，但如果在作业前组装向锤支承板39插入金属锤36的组件，则可以由一个工序结束将锤支承板39和金属锤36设置于芯片对准板18的作业。另外，卸下的作业也一样。
[0112]这样，根据本发明的第二实施例，与第一实施例相比，能够发挥在制造工序中容易拆装隔热负荷夹具的优异效果。
[0113][第三实施例]
[0114]在第一实施例和第二实施例的隔热负荷夹具中，由于成为重量较重的金属负荷在重量较轻的芯片对准板或锤支承板、连结柱上突出的构成，故而重心变高，在金属锤的重量较重的情况下或在一个SiN基板上安装多个金属锤的情况下，必须细心注意，不使隔热负荷夹具或SiN基板12颠倒。该性质在大量生产时，在成为基座5按照传送带那样移动的方式的量产装置或利用机器人设置隔热负荷夹具的量产装置中，作为不能提高传送带的速度或机器人的臂的速度的难点而显现。
[0115]因此，在第三实施例中，以解决第一实施例和第二实施例的与这种隔热负荷夹具相关的问题而提闻生广力为目的而完成。
[0116]图9表不基于第三实施例的隔热负荷夹具41的主要部分截面。本实施例作为改进第二实施例(图7)的隔热负荷夹具31而使重心稳定化的情况进行说明，但同样也能够适用于第一实施例的隔热负荷夹具U。对与图7相同的构成要素标注与图7相同的标记，且为了避免冗长，省略说明。
[0117]在图9中，标记42为设置于基座5上的重心稳定化框架，为“无底框”那样的形状。重心稳定化框架42在内壁以微小的间隙与SiN基板12和锤支承板39内接，或与芯片对准板18和锤支承板39内接，或与SiN基板12和芯片对准板18和锤支承板39内接。在图9中，作为单纯的框架进行记载，但若形成为截面向外周成L形那样的结构，则可得到更稳定化的效果。
[0118][隔热负荷夹具的设置方法]
[0119]参照图10说明本实施例的隔热负荷夹具的设置方法。
[0120]如图10所示，首先，与实施例1同样地除去污染物(S401)，在基座5上设置SiN基板12后(S402)，使芯片对准板18 —边对准一边设置在SiN基板12上(S403)。而且，使AuGe共晶焊料片材14和SiC功率芯片13依次落在设于芯片对准板18的芯片贯通口上(S404)。
[0121]接着，在步骤S405中，在芯片对准板18和SiN基板12的外周设置重心稳定化框架42。
[0122]接着，在步骤S406中，固定连结柱20a、20b..?，且使在将安装有热绝缘体37的金属锤36 (热绝缘体负荷)插入贯通孔的状态下组装的锤支承板39轻轻地落在重心稳定化框架42的内部时，如图9所示，隔热负荷夹具的附设结束。显然，也可以先安装锤支承板39，然后安装带热绝缘体37的金属锤36。
[0123]然后，若按照实施例1中说明地那样进行回流工序，则结束本发明的SiC半导体装置的制造方法，并基于本发明完成SiC半导体装置。
[0124]如上所述，在实施例3中，具备实施例1及实施例2的所有构成，因此，能够完全发挥实施例1及实施例2中得到的效果。另外，由于形成为在隔热负荷夹具41中具备重心稳定化框架42的构成，故而能够降低隔热负荷夹具41颠倒的危险，即使在成为基座5按照传送带那样移动的方式的量产装置或利用机器人设置隔热负荷夹具的量产装置中，也能够提高传送带的速度或机器人的臂的速度，并能够提高生产力。
[0125][第四实施例]
[0126]在第一实施例?第三实施例中，说明了由于进行了简化，故而接合一个SiC功率芯片的情况。但是，上述各实施例不限于接合一个功率芯片，显然在接合多个芯片的情况下也能够适用。为了证明该情况，在第四实施例中对在多个芯片的接合中应用第三实施例的情况进行了说明，并且为了提高生产力，对隔热负荷夹具实施了改进。除了隔热负荷夹具的构成和隔热负荷夹具的设置方法以外，与上述实施例相同，因此，省略说明。
[0127]图11是第四实施例的隔热负荷夹具45的主要部分剖面图，是在SiN基板12和SiC功率芯片13上安装有隔热负荷夹具45的状态的组装图。与第一?第三实施例相同的标记的构成物是与各个实施例相同的部件，为了避免冗长而省略说明。
[0128]在图11中，标记46为芯片对准板。与第一?第三实施例的芯片对准板18的重要的不同点在于，设置功率芯片的芯片贯通口的上部形成以向上方扩展的方式倾斜的锥形形状(滑梯)。通过该锥形形状，AuGe焊料或SiC功率芯片沿锥形滑落，并自动地配置在准确的位置。即，该锥形形状产生如下效果，能够大幅度缓和设置AuGe焊料或SiC功率芯片时要求的必要位置精度，提高芯片设置的生产力。
[0129]另外，标记47为锤支承板。基本功能与第一?第三实施例的锤支承板39相同，但在使热绝缘体37 (或金属锤36)通过的锤贯通口具备开口部鞘48的方面不同。该开口部鞘48具有防止热绝缘体37或金属锤36倾倒，而将姿势保持成接近垂直的状态的功能。如图11所示，在具有多个金属锤36的情况下，即使稍微逐个地倾倒，当倾倒的方向一致时，也产生较大的力矩，隔热负荷夹具45有可能颠倒。因此，通过在锤贯通口设置开口部鞘48，能够大幅度降低隔热负荷夹具45颠倒的危险。
[0130]另外，标记49为第一连结柱，50为第二连结柱。第一连结柱49是固定于锤支承板47，且与芯片对准板46的表面接触的构成。第一连结柱49的目的在于支承锤支承板47，因此，至少具备三个以上，优选具备四个以上。
[0131]另一方面，第二连结柱50固定在芯片对准板46上，且以一定间隙容易地插入贯通于锤支承板47的规定部分的开口部。第二连结柱50的功能在于精确且迅速地进行锤支承板47相对于芯片对准板46的对准。当第二连结柱50的数量变多时(由于插入嵌合的部位变多)，对准所需要的作业时间变长，因此，第二连结柱50优选为两个以上的尽可能较少的数量。
[0132]此外，在本实施例中，将连结柱分离成第一连结柱和第二连结柱，但也可以利用如第一实施例?第三实施例中说明的那样未分离的连结柱构成。
[0133][隔热负荷夹具的设置方法]
[0134]接着，说明实施例4的隔热负荷夹具的设置方法。此外，本实施例的流程图与图10所示的第三实施例的流程图相同，故而省略。
[0135]首先，除去污染物，在基座5 (图中省略)上放置SiN基板12，使安装有第二连结柱50的芯片对准板46 —边对准一边设置在SiN基板12上。然后，以开口部的数量使AuGe共晶焊料片材14和SiC功率芯片13依次落在设置于在芯片对准板46上设置的芯片贯通口上。
[0136]接着，在芯片对准板46和SiN基板12的外周设置重心稳定化框架42。
[0137]接着，安装第一连结柱49，当使多个热绝缘体37 (带金属锤36的)插入贯通孔的状态的锤支承板47组件轻轻地落在重心稳定化框架42的内部时，结束隔热负荷夹具的附设。
[0138]然后，如实施例1中说明地，若进行回流工序，则本发明的SiC半导体装置的制造方法结束，且本发明的SiC半导体装置完成。
[0139]如以上详细地说明，根据本实施例的隔热负荷夹具，能够接合多个SiC功率芯片并可提闻生广力。
[0140]另外，根据本实施例的隔热负荷夹具，在芯片对准板46的芯片贯通口具备以向上方扩展的方式倾斜的锥形构造，故而能够大幅度缓和设置AuGe焊料或SiC功率芯片时要求的必要位置精度，提高芯片设置的生产性。
[0141]另外，根据本实施例的隔热负荷夹具，在锤支承板47的锤贯通口附设具有与锤贯通口相同截面的鞘构造，因此，能够大幅度降低隔热负荷夹具45颠倒的危险。
[0142][第五实施例]
[0143]在上述的第一实施例?第四实施例的隔热负荷夹具中，形成在芯片对准板上经由连结柱设置锤支承板的构成，但也可以不使用连结柱而构成隔热负荷夹具。在第五实施例中，提供这种构成的隔热负荷夹具。
[0144]图12是第五实施例的隔热负荷夹具60的主要部分剖面图。与上述实施例相同标记的构成物是与各个实施例相同的部件，为了避免冗长而省略说明。
[0145]在图12中，标记61为锤支承板，62为重心稳定化框架。
[0146]锤支承板61的功能或材料与上述实施例的锤支承板39完全相同，但支承锤支承板61的不是连结柱,而是重心稳定化框架62。另外,锤支承板61相对于SiN基板12的位置对齐也利用重心稳定化框架62进行。
[0147][隔热负荷夹具的设置方法]
[0148]接着，参照图13说明实施例5的隔热负荷夹具的设置方法。
[0149]如图13所示，首先，除去污染物(S501)，在基座5上放置SiN基板12(S502)，使芯片对准板18 —边对准一边设置在SiN基板12上(S503)。然后，使AuGe共晶焊料片材14和SiC功率芯片13依次落在设置于在芯片对准板18上设置的芯片贯通口上(S504)。目前为止的工序与实施例1?4完全相同。
[0150]接着，在步骤S505中，在芯片对准板18和SiN基板12的外缘设置重心稳定化框架62。接着，在步骤S506中，使锤支承板61轻轻地落在设置于重心稳定化框架62的凹部。而且，在步骤S507中，当将固定有热绝缘体37的金属锤36插入锤支承板61时，如图12所示，隔热负荷夹具60的附设结束。
[0151]然后，如果按照实施例1中说明的那样进行回流工序，则本发明的SiC半导体装置的制造方法结束，且本发明的SiC半导体装置完成。
[0152]由上述说明可知，在实施例5的隔热负荷夹具中，具备与第三实施例完全相同的功能，故而能够完全发挥在第三实施例中得到的效果。另外，本实施例形成为没有连结柱的构成，故而与第一实施例?第四实施例相比，可得到能够以低廉的价格制作隔热负荷夹具的特有的效果。另外，如果预先在重心稳定化框架62组装安装有锤支承板61和金属锤36 (与热绝缘体37 —体)的组件，则能够将重心稳定化框架62、锤支承板61和金属锤36 (与热绝缘体37 —体)在一个工序中安装及卸下，可得到可进一步提高生产力的效果。
[0153]以上，基于图示的实施方式说明了本发明，但本发明不限于此，各部的构成能够置换成具有相同功能的任意构成的部件。
[0154]本申请基于2012年4月27日提出申请的日本特许愿第2012 — 102954号主张优先权，通过参照将其申请内容引用于本发明的说明书中。
[0155]产业上的可利用性
[0156]根据本发明一方式的半导体装置的制造方法、隔热负荷夹具及隔热负荷夹具的设置方法，从半导体装置的上部经由热绝缘体施加负荷，故而将半导体装置和负荷之间隔热，能够进行迅速升温、焊料的短时间熔解和迅速降温。由此，能够减少空隙并能够避免过度的温度上升和长时间的加热处理，而实际上消除半导体装置的热损伤。其结果，能够以较高的成品率实现由空隙较少的高温焊料接合的高可靠功率半导体装置。因此，本发明一方式的半导体装置的制造方法、隔热负荷夹具及隔热负荷夹具的设置方法可以在产业上利用。
【权利要求】
1.一种半导体装置的制造方法，其特征在于，在电路基板和半导体芯片之间夹着在所述半导体芯片的耐热温度?100°c以下的范围内具有熔点或固相线温度的焊料材料，在从所述半导体芯片的上部经由热绝缘体施加负荷的状态下，使所述焊料材料熔解并固化，由此，将所述电路基板和所述半导体芯片接合。
2.一种隔热负荷夹具，其在将电路基板和半导体芯片接合时施加负荷，其特征在于，具备: 热绝缘体，其在所述电路基板和所述半导体芯片之间夹着在所述半导体芯片的耐热温度?100°C以下的范围内具有熔点或固相线温度的焊料材料，并且设置在夹着所述焊料材料的状态的所述半导体芯片的上部； 金属负荷，其设置在所述热绝缘体的上部，在使所述焊料材料熔解并固化的期间对所述半导体芯片施加负荷。
3.一种隔热负荷夹具，其在将电路基板和半导体芯片接合时施加负荷，其特征在于，具备: 芯片对准板，其具备相对于所述电路基板对准的对准功能，具有用于在所述电路基板的规定位置配置焊料片材和所述半导体芯片的芯片贯通口； 锤支承板，其配置在从所述芯片对准板向上方离开规定距离的位置，具备相对于所述芯片对准板或所述电路基板对准的对准功能，在与所述芯片贯通口的位置对应的位置具有锤贯通口 ； 热绝缘体负荷，其贯通所述锤贯通口而设置在所述半导体芯片上，将与所述半导体芯片相接配置的热绝缘体和在所述热绝缘体上部配置的金属负荷一体化。
4.如权利要求3所述的隔热负荷夹具，其特征在于，还具备连结柱，其拆装自如地连结在所述芯片对准板和所述锤支承板之间。
5.如权利要求4所述的隔热负荷夹具，其特征在于，所述连结柱固定在所述芯片对准板或所述锤支承板。
6.如权利要求4或5所述的隔热负荷夹具，其特征在于，还具备重心稳定化框架，其配置在所述锤支承板、所述电路基板和所述芯片对准板的外缘，内壁与所述锤支承板、所述电路基板和所述芯片对准板的至少一个内接。
7.如权利要求3所述的隔热负荷夹具，其特征在于，还具备重心稳定化框架，其在所述芯片对准板上方的规定位置支承所述锤支承板，配置在所述电路基板和所述芯片对准板的外缘，内壁与所述电路基板或所述芯片对准板的至少一个内接。
8.如权利要求2?7中任一项所述的隔热负荷夹具，其特征在于，所述热绝缘体在从所述半导体芯片通向所述金属负荷的导热路径中，在至少一处具备细芯构造。
9.如权利要求2?8中任一项所述的隔热负荷夹具，其特征在于，所述热绝缘体具备多孔质构造。
10.如权利要求2?9中任一项所述的隔热负荷夹具，其特征在于，所述热绝缘体在所述半导体芯片或所述金属负荷的至少一方的接触面具备粗糙面构造。
11.如权利要求2?10中任一项所述的隔热负荷夹具，其特征在于，所述金属负荷为在所述半导体芯片的焊料接合面上至少产生0.lg/cm2以上的压力的质量。
12.如权利要求11所述的隔热负荷夹具，其特征在于，所述金属负荷为在所述半导体芯片的焊料接合面上产生0.3g/cm2以上的压力的质量。
13.如权利要求3?12中任一项所述的隔热负荷夹具，其特征在于，所述芯片对准板的芯片贯通口具备以向上方扩展的方式倾斜的锥形构造。
14.如权利要求3?13中任一项所述的隔热负荷夹具，其特征在于，在所述锤支承板的锤贯通口附设有具有与所述锤贯通口相同截面的鞘构造。
15.一种隔热负荷夹具的设置方法，其特征在于， 在升温加热体基座上载置电路基板， 对准所述电路基板而在所述电路基板上载置芯片对准板， 在形成于所述芯片对准板的芯片贯通口依次载置焊料片材和半导体芯片， 在所述半导体芯片上配置热绝缘体， 在所述芯片对准板上方的规定位置设置锤支承板， 经由在与所述芯片贯通口对应的位置形成的所述锤支承板的锤贯通口在所述热绝缘体上附设金属负荷。
16.如权利要求15所述的隔热负荷夹具的设置方法，其特征在于，在设置所述锤支承板时，利用连结柱设置所述锤支承板。
17.如权利要求15或16所述的隔热负荷夹具的设置方法，其特征在于，还在所述电路基板及所述芯片对准板的外缘设置重心稳定化框架。
18.如权利要求15所述的隔热负荷夹具的设置方法，其特征在于， 还在所述电路基板及所述芯片对准板的外缘设置重心稳定化框架， 在设置所述锤支承板时，在所述重心稳定化框架上设置所述锤支承板。
19.一种隔热负荷夹具，在将电路基板和半导体芯片接合时施加负荷，其特征在于，具备: 热绝缘装置，其在所述电路基板和所述半导体芯片之间夹着在所述半导体芯片的耐热温度?100°c以下的范围内具有熔点或固相线温度的焊料材料，并且设置在夹持所述焊料材料的状态的所述半导体芯片的上部； 金属负荷装置，其设置在所述热绝缘装置的上部，在使所述焊料材料熔解并固化的期间对所述半导体芯片施加负荷。
20.一种隔热负荷夹具，其在将电路基板和半导体芯片接合时施加负荷，其特征在于，具备: 芯片对准装置，其具备相对于所述电路基板对准的对准功能，具有用于在所述电路基板的规定位置配置焊料片材和所述半导体芯片的芯片贯通口； 锤支承装置，其配置在从所述芯片对准装置向上方离开规定距离的位置，具备相对于所述芯片对准装置或所述电路基板对准的对准功能，在与所述芯片贯通口的位置对应的位置具有锤贯通口； 热绝缘负荷装置，其贯通所述锤贯通口而设置在所述半导体芯片上，将与所述半导体芯片相接配置的热绝缘装置和在所述热绝缘装置上部配置的金属负荷装置一体化。
【文档编号】H05K13/04GK104254909SQ201380021910
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2013年4月24日 优先权日:2012年4月27日
【发明者】谷本智, 图子佑辅, 村上善则, 松井康平, 佐藤伸二, 福岛悠 申请人:日产自动车株式会社, 三垦电气株式会社