半导体装置的制造方法、半导体装置制造方法

半导体装置的制造方法、半导体装置制造方法
【专利摘要】本发明提供半导体装置的制造方法、半导体装置，其通过简易的制造方法获得利用焊锡进行接合情况下的高可靠性。首先，使温度上升到预热温度（区域Ⅰ：升温步骤）。接着，该预热温度被保持50～120秒钟（区域Ⅱ：预热步骤）。预热温度为比环氧树脂的硬化温度（180℃）低20～40℃的温度，这里约为150℃。然后，使峰值温度为比金属粒子（焊锡）52的熔点（220℃）高的260～280℃范围，例如为250℃，并保持30～50秒钟（区域Ⅲ：熔化步骤）。在该制造方法中，在预热步骤中，成为在未硬化的状态下焊剂包围半导体芯片的外周部的形态。然后，在熔化步骤中，密集状态的金属粒子熔化并熔合。
【专利说明】半导体装置的制造方法、半导体装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及具有在金属板上搭载有半导体芯片的结构的半导体装置的制造方法。【背景技术】
[0002]一般而言，在使用半导体芯片时，形成为具有如下结构的半导体装置:在金属板上搭载有半导体芯片的结构被封装到绝缘性塑模树脂层中，作为端子的引线从塑模树脂层导出。
[0003]图5是从上面观察该半导体装置90的一个例子的透视图。这里，在作为横长的矩形体形状的塑模树脂层91中，设有两个下垫板(金属板)。在该结构中，半导体芯片92搭载于下垫板93，半导体芯片94搭载于下垫板95。引线96在上侧、下侧分别具有4根，设置为从塑模树脂层91导出。引线96中的一部分与邻接的下垫板93、95 —体化，其他的引线96与下垫板93、95绝缘。半导体芯片92、94中的电极、下垫板93、95、各引线96之间利用细的焊线(bonding wire) 97进行连接，以使它们构成期望的电路。焊线97也被封装在塑模树脂层91中。例如，可以采用功率半导体芯片作为半导体芯片92，采用对该功率半导体芯片进行控制的控制IC芯片作为半导体芯片94。
[0004]这里，半导体芯片92、94大多通过焊锡分别接合于下垫板93、95。在该情况下，若在半导体芯片92、94的背面形成电极，则该电极与下垫板93、95之间的电接合以及半导体芯片92、94的固定都可以利用该焊锡来进行。
[0005]为了利用该焊锡进行接合，大多采用焊锡膏。作为焊锡膏，采用:由成为焊锡主要成分的金属(合金)构成的粒子(金属粒子)混合在未硬化的树脂材料(焊剂(flux))中而成的材料。该焊锡膏通过例如丝网印刷形成于金属板上。之后，在半导体芯片搭载在其上之后进行加热，金属粒子熔化之后进行固化，由此进行了接合。此时，金属粒子熔化之后适度扩散后固化，由此进行了良好的接合。焊剂是为了成为能够涂布金属粒子的状态而使用的，但还起到除去金属粒子或金属板表面的氧化膜、活化金属板表面而提高对焊锡膏的润湿性等作用，对强化焊锡的接合也是有效的。
[0006]专利文献I中记载了如下技术:当利用焊锡膏对半导体芯片进行凸块接合时，在接合的电极表面形成预槽，由此控制焊锡的润湿扩散，能够获得没有短路或不良接合的良好接合。
[0007]此外，在专利文献2中记载有利用环氧树脂作为焊锡膏中的焊剂主要成分。一般而言，接合后残留的焊剂成分会成为连接焊线等时的障碍。因此，大多通过清洗来除去残留的焊剂成分，之后连接焊线等。相对于此，在专利文献2中记载的技术中，成为硬化后的环氧树脂仍旧残留的状态。由此，能够加强焊锡的接合和提高接合的可靠性。
[0008]专利文献1:日本特开2009-4463号公报
[0009]专利文献2:日本特开2003-124400号公报
[0010]但是，在专利文献I记载的技术中，需要对接合的面进行加工。这里，接合的面是指半导体芯片的背面和金属板。在该加工中需要新的步骤，特别是在与专利文献I记载的凸块接合的情况不同、接合面的面积很大时，制造步骤变得复杂。因此，从降低制造成本的观点出发，优选追加这样的步骤。此外，虽然金属板的表面加工是可能的，但实际上很难加工半导体芯片的背面。
[0011]此外，金属粒子熔化而形成熔合的接合层，该接合层与接合的半导体芯片、金属板表面之间形成牢固的合金层，由此能够获得高接合强度。此时，在接合层中形成有空洞的情况下，很难获得高接合强度。在利用焊锡膏进行接合时，金属粒子熔化并熔合时形成的空隙在冷却后成为空洞。在专利文献2中记载的技术中，在金属粒子熔化的时刻，其周围的环氧树脂已硬化的情况下，该环氧树脂成为接合时空气从熔化的金属粒子间排出的障碍，因此在焊锡层中容易产生空洞。因此，难以确保接合中的高可靠性。该问题与凸块接合那样接合面积小的情况相比，在接合半导体芯片的整个背面时接合面积大的情况下特别显著。
[0012]S卩，通过简易的制造方法难以获得利用焊锡进行接合情况下的高可靠性。

【发明内容】

[0013]本发明正是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供解决上述问题的发明。
[0014]本发明为了解决上述课题，形成了下面揭示的结构。
[0015]本发明的半导体装置的制造方法，将焊锡膏夹在半导体芯片与金属板之间来接合所述半导体芯片和所述金属板，该制造方法的特征在于，所述焊锡膏包含85?90wt%(重量百分比)的金属粒子、作为焊剂的环氧树脂、具有活化效果的硬化剂和活化剂，该制造方法具有芯片焊接(die bond)步骤，在该芯片焊接步骤中，在焊锡接合后，利用未硬化的所述环氧树脂覆盖焊锡接合的外周侧面和所述半导体芯片的外周侧面的至少一部分。
[0016]本发明的半导体装置的制造方法中，其特征在于，所述环氧树脂由热硬化性环氧树脂构成，该热硬化性环氧树脂的硬化温度比所述金属粒子的熔点低，所述芯片焊接步骤具有:预热步骤，在比所述硬化温度低20?40°C的温度下，在50?120秒钟的时间内，对层叠体进行保持，该层叠体是由所述半导体芯片、所述环氧树脂处于未硬化状态的所述焊锡膏和所述金属板层叠而成的；熔化步骤，在所述预热步骤之后，将所述层叠体加热到比所述金属粒子的熔点高的温度以上；和冷却步骤，在所述熔化步骤之后，对所述层叠体进行冷却。
[0017]本发明的半导体装置的制造方法的特征在于，在所述冷却步骤后，在比所述硬化温度低10?40°C的温度下保持所述层叠体，使所述环氧树脂完全硬化。
[0018]本发明的半导体装置的特征在于，该半导体装置是通过所述半导体装置的制造方法来制造的。
[0019]本发明如上所述那样构成，因此能够通过简易的制造方法获得利用焊锡进行接合情况下的高可靠性。
【专利附图】

【附图说明】
[0020]图1是表示本发明实施方式涉及的半导体装置的制造方法的步骤剖视图。
[0021]图2是表示在本发明实施方式涉及的半导体装置的制造方法中采用的接合步骤中的温度曲线的图。
[0022]图3是通过作为实施例的制造方法制造的半导体装置的外观照片。[0023]图4是通过作为实施例的制造方法制造的半导体装置的截面SEM照片。
[0024]图5是一般的半导体装置的结构的透视图。
[0025]符号说明
[0026]10,92,94:半导体芯片；20、93、95:金属板(下垫板)；50:焊锡膏；51:焊剂(树脂材料)；52:金属粒子(焊锡粉末)；53:接合层；91:塑模树脂层；96:引线；97:焊线。
【具体实施方式】
[0027]以下，对作为本发明实施方式的半导体装置的制造方法进行说明。图1是表示通过该制造方法制造的半导体装置的步骤剖视图。这里所示的是半导体芯片10接合于金属板(下垫板)20时(芯片焊接步骤)的截面。该接合是利用焊锡膏50进行的。而且，实际上，如图5所示，在该接合之后，执行如下等步骤，来制造半导体装置:通过对半导体芯片10、金属板20连接焊线，将连接了焊线之后的整个结构封装在塑模树脂层中。在这些步骤中，与通常所知的技术相同，因此省略说明。下面仅对芯片焊接步骤进行说明。
[0028]首先如图1 (a)所示，通过丝网印刷等方法将焊锡膏50构图并涂布在金属板20上。焊锡膏50构成为在焊剂(树脂材料)51中混合分散有作为焊锡的金属粒子(焊锡粉末)52。焊剂51在焊锡膏50中的含量例如约为13质量％。焊剂51由例如树脂(环氧树脂，液状双酚A型)，具有活性硬化的硬化剂(酐)，溶剂(乙二醇类)，触变剂(胺类)，活化剂(有机酸)构成。焊锡膏50的粘度在涂布的状态下例如约为70?130Pa.S。
[0029]金属粒子52例如由银(Ag) -铜(Cu) -锡(Sn)合金构成，例如可以使用以Sn为主要成分、Ag和Cu分别约为3质量％和0.5质量％的材料。其平均粒径约为25?45 μ m。金属粒子52在焊锡膏50中的组成约为85?90wt%。
[0030]在紧随涂布完焊锡膏50之后的状态下，焊剂51处于未硬化的状态，具有适度的粘度，因此焊锡膏50能够维持图1的(a)中的形状。而且，此时的焊锡膏50的平面形状与所接合的半导体芯片10的平面形状大致相等。由此，能够接合半导体芯片10的整个下表面。
[0031]下面，如图1的(b)所示，在该状态下，将半导体芯片10搭载到焊锡膏50之上。利用焊锡膏50 (焊剂51)的粘度维持该状态。
[0032]然后，将该半导体芯片10、焊锡膏50、金属板20的层叠结构(结构体)投入回流焊炉中进行热处理。由此，焊锡膏50中的金属粒子52熔化之后固化，进行半导体芯片10与金属板20之间的接合(接合步骤)。图2表示接合步骤中的温度曲线(温度随时间的变化)的一个例子。这里，作为焊剂51主要成分的环氧树脂的硬化温度为180°C，金属粒子52的熔点为比其高的220°C。具体而言，接合步骤由升温步骤(区域I )、预热步骤(区域II)、熔化步骤(区域III)、冷却步骤(区域IV)构成，在回流焊炉中，在氮环境下进行。该接合步骤中的特征是在熔化步骤之前设置在比环氧树脂的硬化温度低的温度下在一定时间内保持的预热步骤。
[0033]在图2中，首先使温度上升到预热温度(区域1:升温步骤)。接着，该预热温度被保持50?120秒钟(区域I1:预热步骤)。预热温度为比环氧树脂的硬化温度(180°C)低20?40°C的温度，本实施方式中约为150°C。在该步骤中，进行焊剂51中的有机溶剂的气化、焊剂51的活化、焊剂51中的金属粒子52和金属板20表面的氧化物去除。另一方面，由于不进行硬化反应且提高了焊剂51的活化，因此构成焊剂51的环氧树脂润湿扩散。此夕卜，预热温度比金属粒子52的熔点低，因此金属粒子52的形态不发生变化。而且，优选升温步骤的时间短些，以缩短整个接合步骤的时间，且延长预热步骤的时间。
[0034]因此，预热步骤之后，如图1的(C)所示，半导体芯片10下部的焊锡膏50变薄，成为半导体芯片10的下部仅由金属粒子52支承的形态。另一方面，焊剂51润湿扩散，通过表面张力包围半导体芯片10的外周侧面，成为半导体芯片10的外周部由硬化前的焊剂51覆盖的形态。半导体芯片10正下方的金属粒子52间的溶剂51的量变少，成为金属粒子52密集的状态。此外，混合的环氧树脂活化，还原金属表面，提高焊锡润湿度。
[0035]之后，使峰值温度为比金属粒子(焊锡)52的熔点(220°C)高的260?280°C范围、例如250°C，并保持30?50秒钟(区域II1:熔化步骤)。此时，由于达到焊剂51的硬化温度之后超过金属粒子52的熔点，因此，首先焊剂51开始硬化，然后金属粒子52熔化。其中，焊剂51从开始硬化反应到充分硬化需要时间，因此实际上在金属粒子52开始熔化的时刻，焊剂51还未硬化。另一方面，金属粒子52在温度超过其熔点的情况下迅速熔化，金属粒子52的熔合推进。
[0036]在该制造方法中，成为在预热步骤中焊剂51在未硬化状态下包围半导体芯片10的外周部的形态。然后，在熔化步骤中，密集状态的金属粒子52熔化并熔合。此时，焊剂51还未完全硬化，因此成为空气从金属粒子52间排出的通道。因此，不易形成空洞。另一方面，半导体芯片10固定于金属板20的状态通过存在于外周的焊剂51来保证。因此，在该步骤中难以发生半导体芯片10的位置偏差。
[0037]其中，预热步骤中的温度为比硬化温度低80°C的温度更低、或者预热步骤的时间为比50秒钟短的情况下，预热步骤的效果不充分。即、焊剂51难以成为图1的(C)的形态。此外，该温度为比硬化温度低15°C的温度高(接近硬化温度)、或者预热步骤的时间比120钟秒长时，焊剂51在接下来的熔化步骤中的早的时刻硬化，因此容易在接合层53中产生空洞。
[0038]然后，进行冷却(区域IV:冷却步骤)。随着温度降低，熔化的金属粒子52在熔合的状态下固化，形成接合层53。焊剂51在包围接合层53周围的状态下硬化，因此成为图1的(d)所示的形态。此时，如前所述，抑制了在接合层53中产生空洞。这里，花费30?60秒钟，在从270°C到100°C的温度范围(温度差170°C)内进行冷却。以上，芯片焊接步骤结束。
[0039]为了进一步推进焊剂51的硬化以获得充分的强度(完全硬化)，有效的是:在与预热温度相同程度的温度下，比环氧树脂的硬化温度(180°C)低10?40°C的温度、例如150°C下，进行长时间(约5小时)的固化处理(固化步骤)。由此，焊剂51也能获得充分的强度。而且，在进行该固化处理时，焊剂51中的气泡被除去。
[0040]这里，关于紧随芯片焊接步骤(冷却步骤)之后的焊剂51的状态与紧随固化步骤后的焊剂51的状态(完全硬化的状态)，在实验基板上印刷上述焊锡膏50，搭载芯片部件并进行接合，在接合后测定与实验基板紧密接合的焊剂残渣的分配强度并进行评价。在该实验(测定)中，紧随冷却步骤之后的分配强度为20N，紧随固化步骤之后的分配强度为40N。这样，在上述的制造方法中的特征在于，焊剂51不是在冷却步骤之后马上硬化。
[0041]一般而言，焊接中使用的焊剂成分大多在接合后被除去，但该硬化的焊剂51(环氧树脂)不需要除去，就能够将焊线等接合到半导体芯片10和金属板20。此外，通过硬化的焊剂51，加强接合层53。此外，保持半导体芯片，并提高了接合强度。对于这一点，与专利文献2中记载的技术是相同的。
[0042]然后，将焊线连接于半导体芯片10、金属板20等，然后将它们封装起来并形成塑模树脂层，由此能够获得半导体装置。在上述的例子中，对在单一金属板上搭载单一的半导体芯片的例子进行了记载，但实际上大多利用多个金属板(下垫板)且在同一金属板上搭载多个半导体芯片。此外，采用在排列有与多个半导体装置相当的多个金属板的结构的引线框架，在各个金属板上分别搭载半导体芯片，连接焊线之后分别形成塑模树脂层，由此制造多个半导体装置。然后，通过适当地切断引线框架，获得各个半导体装置。
[0043]图3是从上面观察通过上述的制造方法制造的半导体装置的外观照片。在该结构中，搭载有多个半导体芯片10，但无论关于哪个半导体芯片10，都确认了包围半导体芯片10外周并硬化的焊剂51。
[0044]图4是与图3同样的半导体装置中的半导体芯片端部的界面的电子显微镜(SEM)照片。这里，也形成有图5的塑模树脂层91。与塑模树脂层91不同，能够确认焊剂51形成为在半导体芯片10的外周部扩散到约180 μ m进行包围。另一方面，能够确认在厚度约为30 μ m的接合层53中未发现空洞，形成了良好的接合。接合层53的端部、半导体芯片10的侧面由焊剂51覆盖。如上所述，能够确认:实现了图1的(d)的形状，获得了空洞少的接合层53。此外，优选焊剂51覆盖半导体芯片10的侧面的2/3以上。
[0045]而且还可知，即使在焊剂、金属粒子的组成与上述例子不同的情况下，如要具有同样特性、特别是焊剂的硬化温度或金属粒子的熔点等相等时，就能获得同样的效果。
【权利要求】
1.一种半导体装置的制造方法，将焊锡膏夹在半导体芯片与金属板之间来接合所述半导体芯片和所述金属板， 该制造方法的特征在于， 所述焊锡膏包含85重量百分比?90重量百分比的金属粒子、作为焊剂的环氧树脂、具有活化效果的硬化剂和活化剂， 该制造方法具有芯片焊接步骤，在该芯片焊接步骤中，在焊锡接合后，利用未硬化的所述环氧树脂覆盖焊锡接合的外周侧面和所述半导体芯片的外周侧面的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的半导体装置的制造方法，其特征在于， 所述环氧树脂由热硬化性环氧树脂构成，该热硬化性环氧树脂的硬化温度比所述金属粒子的熔点低， 所述芯片焊接步骤具有: 预热步骤，在比所述硬化温度低20°C?40°C的温度下，在50?120秒钟的时间内，对层叠体进行保持，该层叠体是由所述半导体芯片、所述环氧树脂处于未硬化状态的所述焊锡膏和所述金属板层叠而成的； 熔化步骤，在所述预热步骤之后，将所述层叠体加热到比所述金属粒子的熔点高的温度以上；和 冷却步骤，在所述熔化步骤之后，对所述层叠体进行冷却。
3.根据权利要求2所述的半导体装置的制造方法，其特征在于， 在所述冷却步骤后，在比所述硬化温度低10°c?40°C的温度下保持所述层叠体，使所述环氧树脂完全硬化。
4.一种半导体装置，其特征在于， 该半导体装置是通过权利要求1或2所述的半导体装置的制造方法来制造的。
5.一种半导体装置，其特征在于， 该半导体装置是通过权利要求3所述的半导体装置的制造方法来制造的。
【文档编号】H01L23/488GK103681385SQ201310012644
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年1月14日 优先权日:2012年8月31日
【发明者】佐藤慧 申请人:三垦电气株式会社