半导体装置和半导体装置的制造方法

专利名称：半导体装置和半导体装置的制造方法
技术领域：
本发明涉及半导体装置和半导体装置的制造方法，特别是，涉及 搭载有功率半导体元件的半导体装置及其制造方法。
技术背景 在倒相器(inverter)装置，无停电电源装置，工作机械，产业用 机器人等中，正在与其本体装置独立地使用半导体装置(通用模块)。 例如，作为半导体装置，公开了将具有规定厚度的金属基底板作 为基体，在金属基底板上搭载有功率半导体元件的组件型的半导体装 置(例如，参照专利文献1)。图11是将金属基底板作为基体的半导体 装置的模式图。 该半导体装置100是，将数毫米厚的金属基底板101作为基体， 在金属基底板101上通过焊接层102接合金属箔103。而且，在金属箔 103上接合绝缘板104，在绝缘板104上接合金属箔105、 106。进一步， 在金属箔105、 106上通过焊接层107、 108接合半导体元件109、 110。 这里，半导体元件109、 110，例如，适合IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor (绝缘栅双极型晶体管))元件，FWD (Free Wheeling Diode (续流二极管))元件等。进一步，在半导体元件109、 110上通过焊 接层lll、 112接合散热体113、 114。而且，以从金属基底板101的上 端缘，包围半导体元件109、 110等的方式，固定有成形的树脂盒115。 另外，在树脂盒115的孔部117内设置有加固用的金属环118。另外，虽然没有图示，但是在半导体元件109、 110的周围，配设 有金属导线、引线框(leadframe)等，例如，将半导体元件109、 110 的电极与在绝缘板104上形成的电路图形，或者，半导体元件109、 110 的电极之间电接合。 进一步，在树脂盒115内部，为了防止金属导线等的接触和保护 半导体元件109、 110等不受水分、湿气、尘埃的影响，密封有由硅类 材料构成的凝胶116。另外，最近，揭示了不以金属基底板101作为基体的，小型尺寸的半导体装置(例如，参照非专利文献l)。图12是不使用金属基底板的半导体装置的模式图。 该半导体装置200，将绝缘板104、在绝缘板104的下面形成的金
属箔103和在绝缘板104的上面形成的金属箔105、 106作为基体。而且，在金属箔105， 106上通过焊接层107、 108与半导体元件109、 110接合。
而且，在半导体装置200中，以从绝缘板104的上端缘包围半导 体元件109、 IIO等的方式，固定有成形的树脂盒115。另外，在树脂 盒115内，同样地，密封有由硅类材料构成的凝胶116。
根据这样的半导体装置200，由于不以壁厚厚的金属基底板作为基 体，所以能够实现半导体装置的轻量化，小型化，进一步，能够达到 低成本化。另外，关于搭载在半导体装置100、 200内的半导体元件109、 110 本身，近年来，正在使用减少断开损失的薄型半导体元件(例如，参 照非专利文献2)。例如，以前，使用外延型硅基板制作的、壁厚约为350pm左右的 PT (Punch Through (穿孔))型半导体元件是主流，但是最近，使用 FZ (FloatingZone (浮动区域))基板制作的、壁厚约为100pm左右的 NPT (None Punch Through (无穿孔))型半导体元件正在成为一般情 况。日本特开2003-289130号公报小松、早乙女、井川，"小容量IGBT模块"，富士 时报Vo1.78， No,4， 2005， P.260 263宫下，"U串联IGBT模块"，富士时报Vol/77, No.5， 2004， R313 31
发明内容
但是，当使如上所述的半导体装置100、 200反复工作时，因为搭 载的半导体元件109、 110的壁厚为100pm以上，所以通过半导体元件109、 110的发热和放热，半导体元件109、 IIO发生大的伸缩。其结果 是，在半导体元件109、 IIO和半导体元件109、 IIO下面的焊接层107、 108之间反复发生过剩的应力。
当使这样的半导体装置100、 200长时间工作时，存在以下问题， 半导体元件109、 110和焊接层107、 108之间的粘合力经不住应力， 在半导体元件109、 110和焊接层107、 108的界面上发生剥离、断开， 降低了作为半导体装置的可靠性。
本发明鉴于上述问题提出，其目的是提供即使长时间使用，可靠 性也很优越的半导体装置和该半导体装置的制造方法。
在本发明中为了解决上述课题，所提供的半导体装置的特征在于， 具备绝缘板、与上述绝缘板的第一主面接合的第一金属箔、与上述 绝缘板的第二主面接合的至少一个第二金属箔、和通过焊接层与上述 第二金属箔上面接合的壁厚大于等于5(Him小于lOOjam的至少一个半 导体元件。
在这样的半导体装置中，在绝缘板的第一主面接合有第一金属箔， 在绝缘板的第二主面接合有至少一个第二金属箔，在第二金属箔上通 过焊接层接合有壁厚大于等于50Mm小于lOOpm的至少一个半导体元 件。
另外，在本发明中提供半导体装置的制造方法，其特征在于，具 有以下步骤准备具有绝缘板、与上述绝缘板的第一主面接合的第一 金属箔、和与上述绝缘板的第二主面接合的至少一个第二金属箔的基 板的步骤；在上述第二金属箔的上面的外周部，有选择地配置抑制熔 融状态的焊料的润湿的润湿抑制层的步骤、在上述第二金属箔的金属 面显现出来的部分涂敷焊料的步骤、在上述焊料上载置壁厚大于等于 50Mm小于100jum的半导体元件的步骤、和对上述焊料进行加热处理， 通过焊接层接合上述半导体元件和上述第二金属箔的步骤。
在这样的半导体装置的制造方法中，准备具有绝缘板、与绝缘板 的第一主面接合的第一金属箔、和与绝缘板的第二主面接合的至少一 个第二金属箔的基板，在第二金属箔的上面的外周部，有选择地配置 抑制熔融状态的焊料的润湿的润湿抑制层，在第二金属箔的金属面显 现出来的部分涂敷焊料，在焊料上载置壁厚大于等于50jum小于100pm
的半导体元件，对焊料进行加热处理，由此通过焊接层接合半导体元 件和第二金属箔。
另外，在本发明中，提供半导体装置的制造方法，其特征在于， 具有以下步骤准备具有绝缘板、与上述绝缘板的第一主面接合的第 一金属箔、和与上述绝缘板的第二主面接合的至少一个第二金属箔的 基板的步骤；在上述第二金属箔上划定的元件搭载区域中，以相对于 上述元件搭载区域的中心部成点对称的方式，有选择地配置焊料的步 骤、在上述焊料上载置壁厚大于等于50pm小于lOOpm的半导体元件 的步骤、和对上述焊料进行加热处理，通过焊接层接合上述半导体元 件和上述第二金属箔的步骤。
在这样的半导体装置的制造方法中，准备具有绝缘板、与绝缘板 的第一主面接合的第一金属箔、和与绝缘板的第二主面接合的至少一 个第二金属箔的基板，在第二金属箔上划定的元件搭载区域中，以相 对于元件搭载区域的中心部成点对称的方式，有选择地配置焊料，在 焊料上载置壁厚大于等于50pm小于100Mm的半导体元件，对焊料进 行加热处理，通过焊接层接合半导体元件和上述第二金属箔。
在本发明中，在半导体装置中，使在绝缘板的第一主面接合第一 金属箔，在绝缘板的第二主面接合至少一个第二金属箔，在第二金属 箔上通过焊接层接合壁厚大于等于50jnm小于lOOpm的至少一个半导 体元件。
另外，在本发明中，在半导体装置的制造方法中，准备具有绝缘 板、与绝缘板的第一主面接合的第一金属箔、和与绝缘板的第二主面 接合的至少一个第二金属箔的基板，在第二金属箔的上面的外周部， 有选择地配置抑制熔融状态的焊料的润湿的润湿抑制层，在第二金属 箔的金属面显现出来的部分涂敷焊料，在焊料上载置壁厚大于等于 50pm小于100pm的半导体元件，对焊料进行加热处理，通过焊接层 接合半导体元件和第二金属箔。
另外，在本发明中，在半导体装置的制造方法中，准备具有绝缘 板、与绝缘板的第一主面接合的第一金属箔、和与绝缘板的第二主面 接合的至少一个第二金属箔的基板，在第二金属箔上划定的元件搭载 区域中，以相对于元件搭载区域的中心部成点对称的方式，有选择地 配置焊料，在焊料上载置壁厚大于等于50nm小于100|_im的半导体元 件，对焊料进行加热处理，通过焊接层接合半导体元件和第二金属箔。 由此，能够实现即使长时间使用，可靠性也很优越的半导体装置 和半导体装置的制造方法。


图1是表示半导体装置的主要部分的剖面模式图。 图2是说明半导体元件的壁厚和应力的关系的示意图。 图3是说明半导体元件的厚度和功率循环容量的关系的示意图。 图4是说明位置偏离的示意图。 图5是表示第三实施方式的半导体装置的制造流程的示意图。 图6是说明半导体元件和金属箔的焊接接合的示意图(其一)。 图7是说明半导体元件和金属箔的焊接接合的示意图(其二)。 图8是表示第四实施方式的半导体装置的制造流程的示意图。 图9是说明半导体元件和金属箔的焊接接合的示意图(其三)。 图IO是说明半导体元件和金属箔的焊接接合的示意图(其四)。 图11是以金属基底板作为基体的半导体装置的模式图。 图12是不使用金属基底板的半导体装置的模式图。 符号说明 1半导体装置 10基板 10a 绝缘板 10b、 10c、 10d金属箔 10cs氧化膜 lla、 llb、 41焊接层 12、 12a、 12b、 12c、 12d、 12e、 40焊料 20、 21半导体元件 30密封材料 50抗蚀剂图形 a虚线框
具体实施例方式
下面，参照附图详细说明本发明的实施方式。 首先，从第一实施方式开始进行说明。
<第一实施方式> 图1是半导体装置的主要部分的剖面模式图。
图示的半导体装置1具有在基板10上安装有多个半导体元件20、 21的构造。而且，半导体装置1，利用树脂盒(未图示)封装，作为 通用IGBT模块发挥作用。
基板10具有绝缘板10a、在绝缘板10a的下面用DCB (Direct Copper Bonding (直接键合铜))法形成的金属箔10b、和在绝缘板10a 的上面同样用DCB法形成的多个金属箔10c、 10d。
进一步，在金属箔10c、 10d上，通过锡(Sn)-银(Ag)类的无 铅焊接层lla、 llb，在各个金属箔10c、 10d上接合至少一个半导体元 件20、 21的主电极侧(例如，集电极电极)。
在此，绝缘板10a，例如由氧化铝(A1203)烧结体的陶瓷构成， 金属箔10b、 10c、 10d由以铜(Cu)作为主成分的金属构成。另外， 半导体元件20、 21，例如适合IGBT元件、FWD元件、功率MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (金属氧化物半导体 场效应晶体管))等的功率半导体元件。而且，半导体元件20、 21的 纵方向的厚度是，在半导体元件20、 21的上下主面之间，具有大于等 于50pm小于100pm的构造。另夕卜，绝缘板10a的厚度为0.3 0.7mm， 金属箔10b、 10c、 10d的厚度例如为0.2 0.6mm。此外，焊接层lla、 lib的厚度为80 130|im。
另外，在图1中，虽然没有图示，但是在绝缘板10a上，除了金 属箔10c、 10d夕卜，还配设有多个金属箔、电极端子等。进一步，在基 板10上，搭载有半导体元件20、21以外的多个半导体元件(例如，IGBT 元件、FWD元件、功率MOSFET等)。另外，在半导体元件20、 21 的周围，配设有金属导线、引线框等，例如，通过金属导线将半导体 元件20、 21的主电极(发射极电极)或者控制电极(栅极电极)与各 金属箔，或者，半导体元件20、 21的电极之间电接合。
进一步，在半导体装置1中，以包围半导体元件20、 21等的方式，
具备例如PPS (聚苯硫(polyphenylene sulfide))制的树脂盒(未图示)。 而且，在该树脂盒的内面，为了保护半导体元件20、 21等，例如，充 填有由以硅作为主要成分的凝胶或者环氧树脂构成的密封材料30。
此外，在图1中，特别地，虽然没有图示，但是也可以将面积比 基板10大的金属基底板(板厚:数毫米)作为基体，在金属箔10b下通 过焊接层接合。
搭载有这样的壁厚薄的半导体元件20、 21的半导体装置1很大地 提高了其可靠性。下面，关于其可靠性进行详细的说明。
首先，在说明半导体装置1的可靠性之前，由于通过FEM (Finite Element Method (有限元法))分析求得在半导体元件20、 21和焊接层 lla、 llb之间起作用的应力，所以从其结果进行说明。
在此，为了算出该应力，设想通过厚度为lOOpm的焊接层(锡-银类焊料)，在与图1的金属箔10c、 10d相当的金属箔上接合半导体 元件(例如，IGBT元件)的模型，算出在该半导体元件和该焊接层之 间发生的应力。
图2是说明半导体元件的厚度和应力的关系的示意图。
在此，横轴表示半导体元件的厚度(pm)，纵轴表示半导体元件 和焊接层之间产生的应力(相对值)。
如图所示，在半导体元件和位于半导体元件下面的焊接层之间产 生的应力，具有半导体元件的厚度越薄越减少的倾向。
例如，当半导体元件的厚度为350nm时的应力为100的情况下， 当搭载有厚度为150)Lim的半导体元件时，应力为85，当搭载有厚度为 lOOpm的半导体元件时，应力为75。进一步，当搭载有厚度为80|iim 的半导体元件时，应力减少到70。而且，当搭载有厚度为50pm的半 导体元件时，应力减少到55，在该图中，表示出最低值。即，可以看 到半导体元件的壁厚越薄，在半导体元件和位于半导体元件下面的焊 接层之间产生的应力越减少。
接下来，关于搭载有这样的壁厚薄的半导体元件的半导体装置的 可靠性进行说明。
在此，作为一个例子，当将厚度为350pm的半导体元件和厚度为 85pm的半导体元件搭载在半导体装置中时，对功率循环容量如何变化
进行确认。下面说明其结果。
图3是说明半导体元件的厚度和功率循环容量的关系的示意图。 在此，在图3 (A)中，表示了功率循环容量的结果，在图3 (B)
中表示了功率循环试验的方法的概略图。
在图3 (A)中，横轴表示循环试验中的温度范围AT (K)，纵轴
表示功率循环容量(相对值)。
另外，如图3 (B)所示功率循环试验是反复进行的，在2秒内， 从初始温度(室温25。C)加热半导体元件和位于半导体元件下面的焊 接层到+AT，在18秒内，使半导体元件和焊接层再次冷却到初始温度。
此外，关于图3 (A)所示的功率循环容量的结果，当使用壁厚为 35(Him的半导体元件时的AT=125 (K)的功率循环容量为1，表示由 该值得到的各功率循环容量的相对值。
如图所示，当使用壁厚为85Mm的半导体元件时，与搭载壁厚为 350pm的半导体元件时比较，在AT-100 125 (K)，功率循环容量提 高到4 10倍。
例如，在AT-100 (K)，与使用壁厚为350pm的半导体元件的情 况下的功率循环容量为5相对，当使用壁厚为85pm的半导体元件的情 况下的功率循环容量为20。
艮口，当用厚度为85pm的半导体元件时，与使用壁厚为350pm的 半导体元件的情况比较，功率循环容量提高了 4倍。
另外，在AT-125 (K)，与使用壁厚为350jam的半导体元件的情 况下的功率循环容量为1相对，使用厚度为85pm的半导体元件时的功 率循环容量为10。
艮口，在使用壁厚为85pm的半导体元件的情况下，与使用壁厚为 35(Him的半导体元件的情况相比较，功率循环容量提高了 10倍。
从而，可以明白当将壁厚比100nm薄的半导体元件搭载在半导体 装置内时，能够进一步提高作为半导体装置的可靠性。
像这样，半导体装置1具有绝缘板10a、与绝缘板10a的下面接合 的金属箔10b和与绝缘板10a的上面接合的金属箔10c、 10d，进一步， 具有在金属箔10c、 10d上通过焊接层lla、 llb接合的壁厚大于等于 50pm小于100|um的半导体元件20、 21 。
根据这样的半导体装置1，即使使半导体装置1反复进行工作，因
为搭载的半导体元件20、 21是薄型的，所以即使半导体元件20、 21 发热或者放热，半导体元件20、 21也没有大的伸縮。因而，在半导体 元件20、 21和半导体元件20、 21下的焊接层lla、 llb之间不会反复 产生过剩的应力。其结果是，即使长时间使用半导体装置l，在半导体 元件20、 21和焊接层lla、 llb的界面上也很难发生剥离、断开，半导 体装置1具有高可靠性。
可是，通过焊接层lla、 llb接合构成半导体装置l的半导体元件 20、 21和金属箔10c、 10d时是通过加热处理进行。
具体地说，预先在金属箔10c、 10d上涂敷糊膏状的焊料，将半导 体元件20、 21载置在该焊料上后，进行加热处理，使半导体元件20、 21和金属箔10c、 10d焊接接合(未图示)。
在这样的半导体装置1中，当在加热炉内熔融焊料时，半导体元 件20、 21相对于金属箔10c、 10d进行自我校准(自我匹配)。
但是，因为半导体元件20、 21是薄型的，所以半导体元件20、 21 的重量轻，从而存在有当焊料熔融时半导体元件20、 21移动，从所希 望的接合位置偏离的情形。
这是因为半导体元件20、 21的重量越轻，半导体元件20、 21的 位置越依存于熔融状态中的焊料流动性的缘故。特别是，当通过完全 覆盖将糊膏状的焊料涂敷在金属箔10c、 10d上，进行焊接时，会更显 著地诱发这种从所希望的接合位置的偏离(以下，称为位置偏离)。
为了更深入地理解该现象，例如，使用金属箔10c和半导体元件 20这样的部件为例进行说明。
图4是说明位置偏离的示意图。
首先，在图4(A)中，表示在金属箔10c上涂敷糊膏状的焯料40， 进一步在焊料40上，载置半导体元件20的状态。如上所述，在现有 的方式中，在半导体元件20和金属箔10c的间隙中以所谓的完全覆盖 状态将糊膏状的焊料40涂敷成大致四角状。
其次，在该状态中，在加热炉内加热焊料40，并使其熔融时，助 熔剂成分与焊料成分一起熔融。而且，通过助熔剂成分使金属箔10c 润湿的部分被还原，接着，焊料成分在被还原的部分润湿扩散。
例如，当从图4 (A)的状态，在加热炉内使焊料40熔融时，焊 料40不停止地在半导体元件20和金属箔10c的间隙中，向金属箔10c 的外周端润湿扩散。
而且，在图4 (B)中，表示使熔融的焊料40固化，通过焊接层 41将半导体元件20和金属箔10c接合的状态。
如该图所示，当完全覆盖状态的焊料40润湿扩散时，并不是在金 属箔10c上面均匀地扩散，而是向金属箔10c的外周端不均匀地扩散。 其结果是，在焊料40固化后，半导体元件20发生自转或移动。
如果补充说明这种现象的过程，例如，通过以下说明的过程，推 测为诱发位置偏离。
例如，当将半导体元件20载置在完全覆盖状态的焊料40上时， 半导体元件20的主面完全不与金属箔10c平行，成为若干倾斜的状态。 就在这样的状态中，当使焊料40熔融时，焊料40具有方向性地润湿 扩散的概率变高。或者，基板10本身发生若干变形的情形下也发生同 样的现象。
因而，根据上述理由，焊料40向外周方向不均匀地润湿扩散，保 持这样地固化时，形成图4 (B)所示的外延和厚度不均匀的焊接层41。 其结果是，半导体元件20发生自转或移动，诱发了半导体元件20相 对于金属箔10c的位置偏离。
这样，当在金属箔10c上完全覆盖糊膏状的焊料40时，容易诱发 这样的位置偏离。
但是，当发生这样的位置偏离时，在半导体元件20、 21的电极配 线步骤中，在预定地方发生不能够进行导线焊接等的配线不良等不合 适情况，作为半导体装置的可靠性降低。
从而，在搭载薄型半导体元件的半导体装置的情形中，越要尽可 能地抑制位置偏离。
在此，在以下的实施方式中，说明即使当将薄型并且轻量的半导 体元件20、 21搭载在半导体装置1内时，位置偏离也很少的半导体装 置1的结构和半导体装置1的制造方法。
此外，在以下的实施方式中，在与图1的半导体装置1相同的部 件上，附加相同的标号，并省略对它们的说明。另外，在以下的各个
实施方式中，以金属箔10c、焊接层Ua和半导体元件20这样的部件 为例进行说明。因而。关于整个半导体装置1的说明在各个实施方式 中省略。
<第二实施方式>
在该实施方式中，其特征在于，关于图l所示的半导体元件20和 金属箔10c的接合，由与锡-银类焊料不同成分的焊料构成焊接层lla。
例如，使用对金属箔10c的焊料润湿性比锡-银类焊料低的焊料， 构成焊接层lla。更具体地说，使用锡-锑(Sb)类焊料，构成焊接层 lla。
如果用这种焊料，则即使在加热炉内熔融焊料，也能够抑制在金 属箔10c上的焊料的流动性。即，因为相对于金属箔10c焊料的润湿 性低，所以即使焊料熔融，焊料也能够保留原形，焊料没有从半导体 元件20和金属箔10c的间隙不均匀地润湿扩散。其结果是，能够进一 步提高半导体元件20对金属箔10c的自我校准，能够提高作为半导体 装置的可靠性。
<第三实施方式>
在该实施方式中，其特征在于，关于图l所示的半导体元件20和 金属箔10c的接合，在金属箔10c上面的外周部，预先，有选择地配 置抑制熔融状态的焊料的润湿的润湿抑制层，在金属面显现出来的金 属箔10c上涂敷焊料，接合半导体元件20和金属箔10c。
例如，图5是第三实施方式中的半导体装置的制造流程图。
如该图所示，首先，准备具有绝缘板10a、与绝缘板10a的下面接 合的金属箔10b、和与绝缘板10a的上面接合的金属箔10c、 10d的基 板10 (步骤S1A)。
接下来，例如，在金属箔10c上面的外周部，有选择地配置抑制 熔融状态的焊料的润湿的润湿抑制层(步骤S2A)。
接下来，在金属箔10c的金属面显现出来的部分涂敷焊料(步骤 S3A)。
接下来，在焊料上载置壁厚大于等于50pm小于100nm的半导体 元件20 (步骤S4A)。
然后，对焊料进行加热处理(步骤S5A)，通过焊接层lla将半导体元件20和金属箔10c接合(步骤S6A)。通过这样的制造流程，将半导体元件20和金属箔10c接合。 此外，关于本实施方式的具体例子，是2个实施方式，以下分别进行说明。另外，在各个实施方式的说明中，以步骤S2A 步骤S6A为中心进行详细的说明。
<第三实施方式(其一)>
在该实施方式中，其特征在于，关于图l所示的半导体元件20和 金属箔10c的接合，在金属箔10c的上面，作为润湿抑制层，预先形 成抗蚀剂图形，在金属面显现出来的金属箔10c上涂敷焊料，将半导 体元件20和金属箔10c接合。利用附图详细地说明该接合法图6是说明半导体元件和金属箔的焊接接合的示意图。
首先，如图6 (A)所示，在金属箔10c上面的外周上，以包围金 属箔10c上面的内域的方式，有选择地配置抗蚀剂图形50。如上所述， 该抗蚀剂图形50作为润湿抑制层发挥作用。
在此，例如，通过光蚀刻进行抗蚀剂图形50的有选择地配置。而 且，在金属面显现出来的金属箔10c上，利用印刷法涂敷糊膏状的焊 料12 (例如，锡-银类焊料，锡-锑类焊料)。进一步，在焯料12上载 置半导体元件20。接下来，在加热炉内加热焊料12，并使其熔融(未图示)。然后， 冷却焊料12，如图6 (B)所示，通过焊接层lla接合半导体元件20 和金属箔10c合起来。
依据这样的方法，即使在加热炉内熔融焊料12，由于抗蚀剂图形 50的存在能够抑制焊料12的流动性。g卩，因为在金属箔10c上面的外 周上，形成堤坝状的抗蚀剂图形50，所以即使焊料12熔融，焊料12 也能够保留原形，焊料12没有在金属箔10c上不均匀地润湿扩散。因 而，当焊接接合时在金属箔10c上的半导体元件20很难发生移动或转 动。其结果是，能够进一步提高半导体元件20相对于金属箔10c的自 我校准，能够提高作为半导体装置的可靠性。此外，关于在金属箔10c上有选择地配置的抗蚀剂图形50，在通 过焊接层11a将半导体元件20和金属箔10c接合之后，利用有机溶剂 除去抗蚀剂图形50。
<第三实施方式(其二) >
在该实施方式中，其特征在于，关于图l所示的半导体元件20和 金属箔10c的接合，在金属箔10c的上面，作为润湿抑制层，预先形 成氧化膜图形，在金属面显现出来的金属箔10c上面涂敷焊料，将半 导体元件20和金属箔10c接合。利用附图详细说明该接合法
图7是说明半导体元件和金属箔的焊接接合的示意图。
首先，如图7 (A)所示，在金属箔10c上面的外周上，以包围金 属箔10c上面的内域的方式，有选择地形成氧化膜10cs (CuO)。如上 所述，该氧化膜10cs作为润湿抑制层发挥作用。
在此，按如下方式形成氧化膜10cs。
例如，以利用光蚀刻，以使金属箔10c上面的外周显现出来的方 式，在金属箔10c的内域(焊料12的涂敷区域)中形成抗蚀剂图形之 后，将该抗蚀剂图形作为掩膜，进行金属箔10c上面的热氧化处理、 氧等离子体处理(未图示)。然后，除去抗蚀剂图形，在金属箔10c上 面的外周有选择地只形成氧化膜10cs。
或者，利用激光抗蚀剂法，直接在金属箔10c上面的外周形成氧 化膜10cs。
然后，在金属面显现出来的金属箔10c的上面，利用印刷法涂敷 糊膏状的焊料12 (例如，锡-银类焊料，锡-锑类焊料)，进一步，在焊 料12上载置半导体元件20。
接下来，在加热炉内加热焊料12，并使其熔融(未图示)。在此， 众所周知焊料12相对氧化膜10cs的润湿性比焊料12相对金属表面的 润湿性低。然后，冷却焊料12，如图7 (B)所示，通过焊接层lla将 半导体元件20和金属箔10c接合。
依据这种方法，即使在加热炉内熔融焊料12，由于氧化膜10cs的 存在能够抑制焊料12的流动性。即，因为在金属箔10c上面的外周上， 形成有氧化膜10cs，所以即使当焊接接合时焊料12熔融，焊料12也 能够保留原形，焊料12没有不均匀地润湿扩散。因而，当焊接接合时 在金属箔10c上半导体元件20很难发生移动或转动。其结果是，能够 进一步提高半导体元件20相对金属箔10c的自我校准，能够提高作为 半导体装置的可靠性。
<第四实施方式>
在该实施方式中，其特征在于，关于图l所示的半导体元件20和 金属箔10c的接合，在金属箔10c上划定的半导体元件20的搭载区域 中，预先，以相对于该搭载区域的中心部成点对称的方式使焊料形成 图形，将半导体元件20和金属箔10c接合。
例如，图8是第四实施方式中的半导体装置的制造流程图。
如该图所示，首先，准备具有绝缘板10a、与绝缘板10a的下面接 合的金属箔10b、和与绝缘板10a的上面接合的金属箔10c、 10d的基 板10 (步骤S1B)。
接下来，例如，在金属箔10c上划定的元件搭载区域中，以相对 于元件搭载区域的中心部成点对称的方式，有选择地配置焊料(步骤 S2B)。
接下来，在有选择地配置的焊料上载置厚度大于等于50pm小于 100pm的半导体元件20 (步骤S3B)。
然后，对焊料进行加热处理(步骤S4B)，通过焊接层lla将半导 体元件20和金属箔10c接合(步骤S5B)。
通过这样的制造流程，将半导体元件20和金属箔10c接合。
此外，关于本实施方式的具体例子，是两个实施方式，以下分别 对它们进行说明。另外，在各个实施方式的说明中，以步骤S2B 步 骤S5B为中心进行详细地说明。
<第四实施方式(其一)>
在该实施方式中，其特征在于，关于图l所示的半导体元件20和 金属箔10c的接合，在金属箔10c的上面，预先形成有选择地配置的 焊料，将半导体元件20和金属箔10c接合。利用图详细地说明该接合 法。
图9是说明半导体元件和金属箔的焊接接合的示意图。 首先，如图9 (A)所示，利用印刷法在金属箔10c上有选择地配 置糊膏状的焊料12a、 12b、 12c、 12d (例如，锡-银类焊料，锡-锑类焊 料)。此外，在图9 (A)的上面图中，为了说明焊料12a、 12b、 12c、 12d形成图形后的状态，用虚线只表示半导体元件20的外框(图中所 示的矩形形状的虚线框a)，表示了焊料12a、 12b、 12c、 12d的透视图。
另外，矩形形状的虚线框a内是在金属箔10c上划定的半导体元件20 的搭载区域。
在此，以均等的形状、面积和数量，相对于半导体元件20的搭载 区域的中心部成点对称的方式将焊料12a、 12b、 12c、 12d分割配置在 半导体元件20的搭载区域的四个角中。另外，在该图中，作为一个例 子，在金属箔10c上配置外延为圆形形状的焊料12a、 12b、 12c、 12d。
而且，在有选择地配置焊料12a、 12b、 12c、 12d之后，将半导体 元件20载置在焊料12a、 12b、 12c、 12d上。
在该状态中，由于焊料12a、 12b、 12c、 12d的表面张力，将半导 体元件20保持在金属箔10c上。
接下来，在加热炉内加热焊料12a、 12b、 12c、 12d (未图示)。焊 料12a、 12b、 12c、 12d分别以被配置的位置作为基点熔融。如上所述， 焊料12a、 12b、 12c、 12d以均等的形状、面积和数量构成。因而，当 焊料12a、 12b、 12c、 12d熔融时，焊料12a、 12b、 12c、 12d在半导体 元件20和金属箔10c的间隙中，由于毛细管现象，以相同速度润湿扩 散。
在图9 (B)中，表示使熔融后的焊料12a、 12b、 12c、 12d冷却， 通过焊接层lla将半导体元件20和金属箔10c接合的状态。
如上所述，因为当使焊料12a、 12b、 12c、 12d熔融时，在半导体 元件20和金属箔10c的间隙中发生润湿扩散，所以作为相同成分的焯 料12a、 12b、 12c、 12d最终连结起来。并且，在冷却后，在半导体元 件20和金属箔10c的间隙中，形成厚度均匀的焊接层lla。
另外，因为熔融后的焊料12a、 12b、 12c、 12d在半导体元件20 和金属箔10c的间隙中，从各基点以相同的速度润湿扩散，所以在金 属箔10c上半导体元件20很难发生移动或转动。其结果是，能够进一 步提高半导体元件20相对于金属箔10c的自我校准，能够提高作为半 导体装置的可靠性。
<第四实施方式(其二) >
在该实施方式中，其特征在于，关于图l所示的半导体元件20和 金属箔10c的接合，在金属箔10c的上面，预先形成有选择地配置的 焊料，将半导体元件20和金属箔10c接合。利用附图详细地说明该接
合法
图IO是说明半导体元件和金属箔的焊接接合的示意图。
首先，如图10 (A)所示，利用印刷法在金属箔10c上有选择地 配置糊膏状的焊料12e (例如，锡-银系焊料，锡-锑系焊料)。此外，在 图10 (A)的上面图中，为了说明焊料12e形成图形后的状态，用虚 线只表示半导体元件20的外框(图中所示的矩形形状的虚线框a)，表 示出焊料12e的透视图。另夕卜，矩形形状的虚线框a内是在金属箔10c 上划定的半导体元件20的搭载区域。
在此，焊料12e，形成为具有4条边的十字状，以相对于半导体元 件20的搭载区域的中心部成点对称的方式配置。而且，各边具有均等 的宽度和厚度。
而且，在有选择地配置焊料12e后，将半导体元件20载置在焊料 12e上。
在该状态中，由于焊料12e的表面张力，将半导体元件20保持在 金属箔10c上。
接下来，在加热炉内加热焊料12e (未图示)。这样做，焊料12e 的四条边，将各个被配置的位置作为基点熔融。如上所述，十字状的 焊料12e，以均等的宽度和厚度构成。因而，当焊料12e熔融时，焊料 12e的各边，在半导体元件20和金属箔10c的间隙中，由于毛细管现 象，以相同速度润湿扩散。
在图IO (B)中，表示使熔融后的焊料12e冷却，通过焊接层lla 将半导体元件20和金属箔10c接合的状态。
如上所述，因为当使焊料12e熔融时，在半导体元件20和金属箔 10c的间隙中润湿扩散，所以在冷却后，在半导体元件20和金属箔10c 的间隙中，形成厚度均匀的焊接层lla。
另夕卜，因为熔融后的焊料12e的各边，在半导体元件20和金属箔 10c的间隙中，从各基点以相同的速度润湿扩散，所以在金属箔10c上 的半导体元件20很难发生移动或转动。其结果是，能够进一步提高半 导体元件20相对金属箔10c的自我校准，能够提高作为半导体装置的 可靠性。
此外，在第二到第四实施方式中，以图1所示的金属箔10c、焊接
层11a和半导体元件20为例进行说明，但是与第二到第四实施方式有 关的部件，当然不只局限于这些金属箔10c、焊接层lla和半导体元件 20。 g卩，即使与第二到第四实施方式有关的部件是在绝缘板10a上接 合的其它金属箔、该金属箔上的焊接层，还有，同过该焊接层与金属 箔接合的其它半导体元件，当然也是可以挪用的。
此外，在上述实施方式中，半导体装置1也可以是在半导体元件 20、 21上具备散热体的构成。
权利要求
1.一种半导体装置，其特征在于，具有绝缘板；与所述绝缘板的第一主面接合的第一金属箔；与所述绝缘板的第二主面接合的至少一个第二金属箔；和通过焊接层接合在所述第二金属箔上的、壁厚大于等于50μm小于100μm的至少一个半导体元件。
2. 根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于 所述焊接层的材质为锡(Sn)-银(Ag)类焊料或者锡(Sn)-锑(Sb)类焊料。
3. 根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于 在所述第二金属箔的上面的外周部有选择地形成有氧化膜。
4. 一种半导体装置的制造方法，其特征在于，具有 准备具有绝缘板、与所述绝缘板的第一主面接合的第一金属箔、和与所述绝缘板的第二主面接合的至少一个第二金属箔的基板的步 骤；在所述第二金属箔的上面的外周部，有选择地配置抑制熔融状态的焊料的润湿的润湿抑制层的步骤；在所述第二金属箔的金属面显现出来的部分上涂敷焊料的步骤； 在所述焊料上载置厚度大于等于5(Vm小于100pm的半导体元件的步骤；和对所述焊料进行加热处理，通过焊接层接合所述半导体元件和所 述第二金属箔的步骤。
5. 根据权利要求4所述的半导体装置的制造方法，其特征在于 所述润湿抑制层是抗蚀剂图形。
6. 根据权利要求4所述的半导体装置的制造方法，其特征在于 所述润湿抑制层为氧化膜。
7. —种半导体装置的制造方法，其特征在于，具有-准备具有绝缘板、与所述绝缘板的第一主面接合的第一金属箔、和与所述绝缘板的第二主面接合的至少一个第二金属箔的基板的步 骤；在所述第二金属箔上划定的元件搭载区域中，以相对所述元件搭 载区域的中心部成点对称的方式，有选择地配置焊料的步骤；在所述焊料上载置厚度大于等于50pm小于lOOpm的半导体元件 的步骤；和对所述焊料进行加热处理，通过焊接层接合所述半导体元件和所 述第二金属箔的步骤。
8. 根据权利要求7所述的半导体装置的制造方法，其特征在于 在所述元件搭载区域的角部，在所述第二金属箔上分割配置所述焊料，以相对所述元件搭载区域的中心部成点对称的方式，有选择地 配置所述焊料。
9. 根据权利要求8所述的半导体装置的制造方法，其特征在于 配置在所述第二金属箔上的所述焊料的外延为圆形形状。
10. 根据权利要求7所述的半导体装置的制造方法，其特征在于 有选择地配置在所述第二金属箔上的所述焊料在所述第二金属箔上形成十字状的图形。
全文摘要
本发明提供一种半导体装置和半导体装置的制造方法，提高半导体装置的可靠性。在半导体装置(1)中，在绝缘板(10a)的下面接合金属箔(10b)，在绝缘板(10a)的上面接合至少一个金属箔(10c、10d)，在金属箔(10c、10d)上通过焊接层(11a、11b)接合厚度大于等于50μm小于100μm的至少一个半导体元件(20，21)。另外，当通过焊接层(11a、11b)在金属箔(10c、10d)接合半导体元件(20、21)时，进行焊接以抑制位置偏离。由此，即使长时间使用，也能够实现可靠性优越的半导体装置和半导体装置的制造方法。
文档编号H01L21/60GK101339933SQ200810096579
公开日2009年1月7日 申请日期2008年5月16日 优先权日2007年5月18日
发明者堀尾真史, 望月英司, 池田良成 申请人:富士电机电子技术株式会社