半导体装置的制造方法与流程

本说明书公开的技术涉及半导体装置的制造方法。

背景技术：

在日本特开2004-303869号公报中记载了半导体装置及其制造方法。半导体装置具备半导体元件、与半导体元件的下表面接合的第一导电性构件、经由导电性衬垫与半导体元件的上表面接合的第二导电性构件、及与半导体元件的上表面接合的接合线。该半导体装置的制造方法包括将导电性衬垫经由半导体元件钎焊在第一导电性构件上的第一钎焊工序、将接合线接合于半导体元件的接线工序、及将第二导电性构件钎焊在导电性衬垫上的第二钎焊工序。在第二钎焊工序中，在导电性衬垫与第二导电性构件之间配置焊料箔，通过使该焊料箔熔融而将导电性衬垫与第二导电性构件相互接合。

技术实现要素：

在上述的第二钎焊工序中，需要将导电性衬垫、焊料箔及第二导电性构件这三者的位置准确地对合。例如，当焊料箔偏离正规的位置偏离而配置时，熔融的焊料会从导电性衬垫与第二导电性构件之间溢出，由此可能会产生短路或接合不良这样的不良情况。然而，将三个构件的位置同时对合是麻烦的。因此，可考虑预先使焊料熔敷在导电性衬垫上。这样的焊料称为预备焊料(或预涂焊料)。如果在导电性衬垫上设置有预备焊料，则在第二钎焊工序中，只要在导电性衬垫与第二导电性构件这二者之间进行对位即可。设置预备焊料的工序可以编入到第一钎焊工序内，由此能够使第二钎焊工序容易且简单。

然而，如果在导电性衬垫上设置预备焊料，则在接线工序中对半导体元件进行了加热时，有时导电性衬垫上的预备焊料也被加热而氧化。预备焊料的氧化在之后的第二钎焊工序中会导致接合不良。通常，在使用铝制的接合线的情况下，在接线工序中不需要对半导体元件进行加热。相对于此，在使用铜制的接合线的情况下，半导体元件的加热不可或缺。铜制的接合线与铝制的接合线相比具有高强度、优异的导电性这样的优点。因此，如果采用铜制的接合线，则能够使接合线更细，由此能够实现半导体元件(尤其是与接合线接合的半导体元件上的电极)的小型化。然而，为了采用铜制的接合线，需要解决上述的预备焊料的氧化这一问题。

本公开提供一种解决上述的预备焊料氧化这一问题而能够采用铜制的接合线的技术。

本说明书公开的技术可具体化为半导体装置的制造方法。半导体装置具备：半导体元件；第一导电性构件，接合于半导体元件的下表面；第二导电性构件，经由导电性衬垫而接合于半导体元件的上表面；及铜制的接合线，接合于半导体元件的上表面。制造方法包括：准备第一半成品的工序，在该第一半成品中，导电性衬垫的上表面钎焊于第二导电性构件，并且在导电性衬垫的下表面设置有预备焊料；准备第二半成品的工序，在该第二半成品中，半导体元件的下表面钎焊于第一导电性构件，并且在半导体元件的上表面接合有接合线；及使第一半成品的预备焊料熔融而将第二半成品的半导体元件的上表面钎焊于第一半成品的导电性衬垫的下表面的工序。

在上述的制造方法中，首先，分别准备第一半成品和第二半成品。在第一半成品中，导电性衬垫的上表面钎焊于第二导电性构件，并且在导电性衬垫的下表面设置有预备焊料。即，预备焊料设置于第一半成品。另一方面，在第二半成品中，半导体元件的下表面钎焊于第一导电性构件，并且在半导体元件的上表面接合有接合线。即，接合线的接合在准备第二半成品的过程中实施。这样，通过将预备焊料预先设于第一半成品，并且在第二半成品中预先完成接合线的接合，即使在接合线的接合时对半导体元件进行加热，也不会使第一半成品的预备焊料氧化。然后，通过使第一半成品的预备焊料熔融并将第二半成品的半导体元件的上表面钎焊于第一半成品的导电性衬垫的下表面，来完成上述的半导体装置的构成。

需要说明的是，本说明书中的上表面及下表面这样的用语是为了方便表述位于互为相反侧的面的用语，并不意味着上表面及下表面必然分别位于铅垂上方及铅垂下方。例如，在制造半导体装置的过程中，可以是，半导体元件的上表面成为位于半导体元件的下侧的面，半导体元件的下表面成为位于半导体元件的上侧的面。关于第一及第二导电性衬垫以及其他构件的上表面及下表面也是同样。

附图说明

图1是表示半导体装置10的构造的剖视图。

图2是图1中的II部的放大图。

图3示出导电性衬垫26的下表面26b。

图4是图3中的IV-IV线处的剖视图。

图5是表示半导体装置10的制造方法的一实施例的流程的流程图。

图6示出准备第一半成品10a的工序S10、S12。

图7示出作为准备第二半成品10b的工序的一部分的、向第一导电性构件22钎焊半导体元件12的工序S14。

图8示出作为准备第二半成品10b的工序的另外的一部分的、将接合线32向半导体元件12接合的工序S16。

图9示出使预备焊料44p熔融而将第一半成品10a与第二半成品10b之间钎焊的工序S18。

图10示出使用密封材料20m对第三半成品10c进行封装的工序S20。

具体实施方式

在本技术的一实施方式中，可以在导电性衬垫上沿着下表面的周缘设置有凹部。根据这样的手法，在使预备焊料熔融而进行钎焊时，通过将多余的焊料收容于凹部，能够防止焊料的溢出。

在本技术的一实施方式中，准备第一半成品的工序可以包括在导电性衬垫位于第二导电性构件的铅垂上方的状态下将导电性衬垫钎焊于第二导电性构件的工序。根据这样的手法，第二导电性构件与导电性衬垫之间的熔融的焊料容易通过自重而向第二导电性构件上扩展。由此，对于第二导电性构件可以不必进行用于改善焊料的浸润性的表面处理(例如镀金)。通过省略这样的表面处理，能够削减半导体装置的制造成本。

在本技术的一实施方式中，准备第二半成品的工序可以包括将半导体元件的下表面钎焊于第一导电性构件的工序和将接合线接合到钎焊于第一导电性构件的半导体元件的上表面的工序。根据这样的手法，在将接合线向半导体元件接合时，由于半导体元件被固定于第一导电性构件，因此容易与第一导电性构件一起进行半导体元件的定位。

在本技术的一实施方式中，将接合线接合的工序可以包括对钎焊于第一导电性构件的半导体元件进行加热的工序和利用超声波接合法将接合线接合到加热后的半导体元件的上表面的工序。根据这样的手法，能够以充分的强度将铜制的接合线接合于半导体元件。

以下，参照附图来详细说明本发明的代表性且非限定性的具体例。该详细的说明的意图仅仅是向本领域技术人员展示用于实施本发明的优选例的详细内容，而并非意在限定本发明的范围。而且，以下公开的追加性的特征以及发明可以为了提供进一步得到了改善的半导体装置而与其他的特征或发明相独立地使用或一起使用。

另外，在以下的详细说明中公开的特征或工序的组合并非在最广泛的意义下实施本发明时所必须的，仅是为了特别说明本发明的代表性的具体例而记载。此外，上述及下述的代表性的具体例的各种特征以及独立及从属权利要求记载的例子的各种特征在提供本发明的追加性且有用的实施方式时并非必须如在此记载的具体例那样或者如列举出的顺序那样组合。

本说明书及/或权利要求书记载的全部特征意在与实施例及/或权利要求记载的特征的结构相独立地作为对于申请当初的公开及声称的特定事项的限定而单独地且相互独立地公开。此外，所有与数值范围及组或集体相关的记载意在作为对于申请当初的公开及声称的特定事项的限定而公开它们的中间的结构。

参照附图来说明半导体装置10的制造方法的一实施例。本实施例的半导体装置10没有特别的限定，例如在混合动力车、燃料电池车或电动汽车这样的电动型的汽车中，可以使用于转换器或变换器这样的电力转换电路。以下，首先说明半导体装置10的结构，接着说明半导体装置10的制造方法。不过，下述的半导体装置10及其制造方法是一例，本说明书公开的多个技术要素能够以单独或若干组合的方式应用于各种半导体装置及其制造方法。

如图1、图2所示，本实施例的半导体装置10具备半导体元件12和对半导体元件12进行密封的密封体20。半导体元件12是功率半导体元件。半导体元件12的具体结构没有限定，例如可以是开关元件、二极管或它们的组合。在此所说的开关元件包括例如IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)或MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor：金属氧化物半导体场效晶体管)。关于半导体元件12所使用的半导体材料也没有特别的限定，例如可以是硅(Si)、碳化硅(SiC)或III-V族半导体。密封体20由具有绝缘性的材料构成。本实施例的密封体20由环氧树脂这样的热固化性的树脂材料构成，但没有特别的限定。在图1中虽然仅图示出一个半导体元件12，但半导体装置10也可以具备两个以上的半导体元件12。

在半导体元件12的下表面12b设置有第一电极14，在半导体元件12的上表面12a设置有第二电极16及第三电极18(参照图2)。第一电极14和第二电极16是电力用的电极，第三电极18是信号用的电极。例如，在半导体元件12是IGBT的情况下，第一电极14可以是发射极，第二电极16可以是集电极。在半导体元件12是MOSFET的情况下，第一电极14可以是源电极，第二电极16可以是漏电极。第三电极18可以是接受对于半导体元件12的控制信号(例如，栅极驱动信号)的输入的电极，也可以是输出与半导体元件12的温度、电流对应的信号的电极。

半导体装置10还具备第一导电性构件22、第二导电性构件24及导电性衬垫26。第一导电性构件22由例如铜或其他的金属这样的具有导电性的材料构成。第一导电性构件22形成为具有上表面22a和下表面22b的板形状。第一导电性构件22的上表面22a在密封体20的内部接合于半导体元件12的下表面12b。更详细而言，半导体元件12的第一电极14被钎焊于第一导电性构件22，在半导体元件12与第一导电性构件22之间形成有第一焊料接合层42(参照图2)。由此，第一导电性构件22与半导体元件12电连接。而且，第一导电性构件22的下表面22b向密封体20的外部露出。第一导电性构件22也与半导体元件12热连接，也作为将半导体元件12的热向外部放出的散热构件发挥功能。

关于第二导电性构件24及导电性衬垫26，也由例如铜或其他的金属这样的具有导电性的材料构成。第二导电性构件24形成为具有上表面24a和下表面24b的板形状。导电性衬垫26也形成为具有上表面26a和下表面26b的板形状。第二导电性构件24的下表面24b在密封体20的内部经由导电性衬垫26接合于半导体元件12的上表面12a。更详细而言，半导体元件12的第二电极16被钎焊于导电性衬垫26的下表面26b，在半导体元件12与导电性衬垫26之间形成有第二焊料接合层44(参照图2)。并且，导电性衬垫26的上表面26a被钎焊于第二导电性构件24的下表面24b，在导电性衬垫26与第二导电性构件24之间形成有第三焊料接合层46。由此，第二导电性构件24经由导电性衬垫26与半导体元件12电连接。而且，第二导电性构件24的上表面24a向密封体20的外部露出。第二导电性构件24也经由导电性衬垫26与半导体元件12热连接，也作为将半导体元件12的热向外部放出的散热构件发挥功能。

半导体装置10还具备第三导电性构件30和接合线32。第三导电性构件30由例如铜或其他的金属这样的具有导电性的材料构成。第三导电性构件30从密封体20的内部向外部延伸。接合线32在密封体20的内部将第三导电性构件30与半导体元件12电连接。详细而言，接合线32的一端在密封体20的内部接合于第三导电性构件30，接合线32的另一端接合于位于半导体元件12的上表面12a的第三电极18(参照图2)。由此，第三导电性构件30经由接合线32与半导体元件12的第三电极18电连接。

接合线32是铜制的接合线。在此所说的铜制的接合线是指以铜为主成分的接合线，也可以含有铜以外的元素。这种情况下，铜的含有率没有特别的限定，但可以为95质量％以上。铜制的接合线与例如铝制的接合线相比，具有高强度、优异的导电性这样的优点。由此，通过采用铜制的接合线32，能够使接合线32变细。当接合线32变细时，能够减小半导体元件12的第三电极18的尺寸，由此能够实现半导体元件12的小型化。通过半导体元件12的小型化，能够用一片半导体晶圆制造出很多半导体元件12，能够削减半导体元件12的制造成本(即，半导体装置10的制造成本)。

如图2-4所示，在导电性衬垫26沿着下表面26b的周缘设置有凹部26c。根据这样的结构，在导电性衬垫26的下表面26b被钎焊于半导体元件12的上表面12a时，通过将剩余的焊料收容于凹部26c，能够防止焊料的溢出。凹部26c的具体的构造没有特别的限定，但本实施例的凹部26c由弯曲成凹状的曲面来划定。凹部26c可以沿着下表面26b的周缘连续地形成，也可以沿着下表面26b的周缘断续地形成。需要说明的是，作为其他的实施方式，导电性衬垫26也可以不具有凹部26c。

接下来，说明半导体装置10的制造方法。图5是表示制造方法的流程的流程图。以下，顺着图5所示的制造方法的流程，详细说明各工序。首先，在工序S10、S12中，准备图6所示的第一半成品10a。在第一半成品10a中，导电性衬垫26的上表面26a钎焊于第二导电性构件24的下表面24b，并且在导电性衬垫26的下表面26b设置有预备焊料44p。需要说明的是，与图1相比，在图6中，第二导电性构件24及导电性衬垫26上下翻转。因此，在图6中，导电性衬垫26的上表面26a朝向下方，导电性衬垫26的下表面26b朝向上方。关于第二导电性构件24也是同样。

准备第一半成品10a的具体的手法没有特别的限定。虽然是一例，但在本实施例中，在工序S10中，在第二导电性构件24的下表面24b上钎焊导电性衬垫26的上表面26a。如图6所示，该钎焊可以在导电性衬垫26位于第二导电性构件24的铅垂上方的状态下进行。根据这样的手法，第二导电性构件24与导电性衬垫26之间的熔融的焊料(即，形成第三焊料接合层46的焊料)容易通过自重而在第二导电性构件24上扩展。由此，对于第二导电性构件24可以不必进行用于改善焊料的浸润性的表面处理(例如镀金)。通过省略这样的表面处理，能够削减半导体装置10的制造成本。

在工序S12中，在导电性衬垫26的下表面26b设置预备焊料44p。即，在导电性衬垫26的下表面26b上使焊料暂时熔融来使焊料附着于该下表面26b。预备焊料44p在后续的工序中成为第二焊料接合层44。在此，工序S10、S12的顺序是任意的，先进行哪个工序都行。或者，也可以同时进行两个工序S10、S12的一部分或全部。

接下来，在工序S14、S16中，准备图8所示的第二半成品10b。在第二半成品10b中，半导体元件12的下表面12b钎焊于第一导电性构件22的上表面22a，并且在半导体元件12的上表面12a接合有接合线32。需要说明的是，准备第二半成品10b的工序S14、S16可以比准备第一半成品10a的工序S10、S12先实施，也可以与准备第一半成品10a的工序S10、S12并列进行。

准备第二半成品10b的具体的手法没有特别限定。虽然是一例，但在本实施例中，在工序S14中，如图7所示，将半导体元件12的下表面12b钎焊于第一导电性构件22的上表面22a。接下来，在工序S16中，如图8所示，将接合线32接合于半导体元件12的上表面12a及第三导电性构件30。工序S14、S16的顺序是任意的。但是，如果在工序S14之后实施工序S16，则在将接合线32向半导体元件12接合时，由于半导体元件12被固定于第一导电性构件22，因此容易与第一导电性构件22一起进行半导体元件12的定位。

在将接合线32接合的工序S16中，可以对钎焊于第一导电性构件22的半导体元件12进行加热，利用超声波接合法将接合线32接合于加热后的半导体元件12的上表面12a。即，可以向与半导体元件12的上表面12a抵接的接合线32施加超声波振动。根据这样的手法，能够将铜制的接合线32以充分的强度接合于半导体元件12。对半导体元件12进行加热的手法没有特别的限定。例如，可以将第一导电性构件22配置在加热器(图示省略)上，经由第一导电性构件22对半导体元件12进行加热。对半导体元件12进行加热的目标温度可以设为例如180℃以上。虽然没有特别的限定，但在本实施例中，以使半导体元件12的上表面12a成为200℃的方式调节加热器的加热量。

通过以上的工序S10-S16，分别准备出第一半成品10a和第二半成品10b。接下来，在图5的工序S18中，使第一半成品10a的预备焊料44p熔融，将第一半成品10a与第二半成品10b之间钎焊。详细而言，将第二半成品10b的半导体元件12的上表面12a钎焊于第一半成品10a的导电性衬垫26的下表面26b。由此，准备出图9所示的第三半成品10c。如图9所示，如果是使用了预备焊料44p的钎焊的工序S18的话，可以将设置有预备焊料44p的第一半成品10a配置在第二半成品10b的铅垂下方。需要说明的是，与图1相比，在图9中将全部的构件上下翻转而图示。

在使用了预备焊料44p的钎焊的工序S18中，以使从第一导电性构件22的下表面22b到第二导电性构件24的上表面24a的距离与设计值相等的方式调整第一半成品10a与第二半成品10b之间的相对位置。由此，根据第一半成品10a及第二半成品10b的实际尺寸，半导体元件12的上表面12a与导电性衬垫26的下表面26b之间的距离有时会比设计值窄。这种情况下，熔融的预备焊料44p的一部分变得多余，但是通过将多余的焊料收容于导电性衬垫26的凹部26c，能够防止熔融的预备焊料44p的溢出。

接下来，在图5的工序S20中，利用密封材料20m进行封装。如图10所示，利用密封材料20m进行的封装可以通过嵌件成形来进行。即，在配置有第三半成品10c的模具100内配置第三半成品10c，向模具100内注入密封材料20m。填充到模具100内的密封材料20m伴随于温度下降而固化，成为半导体装置10的密封体20(参照图1)。然后，将封装后的第三半成品10c从模具100取出，进行所需的精加工处理，由此半导体装置10完成。

如以上所述，在本实施例的制造方法中，首先，分别准备第一半成品10a和第二半成品10b。在第一半成品10a中，导电性衬垫26的上表面26a钎焊于第二导电性构件24，并且在导电性衬垫26的下表面26b设置有预备焊料44p。另一方面，在第二半成品10b中，半导体元件12的下表面12b钎焊于第一导电性构件22，并且在半导体元件12的上表面12a接合有接合线32。即，接合线32的接合在准备第二半成品10b的过程中实施，不会给第一半成品10a的预备焊料44p造成影响。这样，通过将预备焊料44p预先设置于第一半成品10a，并在第二半成品10b中预先完成接合线32的接合，即使在接合线32的接合时对半导体元件12进行加热，也不会使预备焊料44p氧化。因此，接合线32可以采用铜制的接合线。如前所述，通过采用铜制的接合线32，能够使半导体元件12小型化，能够削减半导体元件12的制造成本(即，半导体装置10的制造成本)。