半导体装置的制造方法与流程

本说明书所公开的技术涉及半导体装置的制造方法。

背景技术：

作为将导体与半导体元件的电极接合的方法，公知有如下的方法。在半导体元件的电极与导体之间夹着会因热而熔融的接合材料。使因流过电流而发热的发热体与半导体元件、接合材料以及导体的层叠体接触。对发热体进行通电，利用发热了的发热体对接合材料进行加热而使其熔化。停止通电，利用冷却了的接合材料将半导体元件与导体接合。在专利文献1、2中公开了这样的制造方法。

专利文献1：日本特开平05－251504号公报

专利文献2：日本特开昭59－201084号公报

技术实现要素：

本说明书涉及半导体装置的制造方法，公开了比上述专利文献1、2所公开的方法更加简便的制造方法。

本说明书所公开的制造方法具备组装工序、加热熔融工序、以及冷却工序。在组装工序中，使半导体元件的电极与导体之间夹着会因热而熔融的接合材料。在加热熔融工序中，向半导体元件流动电流，使半导体元件发热而使接合材料熔融。在冷却工序中，停止电流，使接合材料冷却。接合材料冷却而固化。经过加热熔融工序和冷却工序来使半导体元件与导体接合。该制造方法利用半导体元件的基于内部电阻的自身发热来使半导体元件与导体接合。对于该制造方法而言，作为制造装置，不需要对接合材料进行加热的发热体，能够将半导体元件与导体简单地接合。

若半导体元件的温度变得过高，则存在半导体元件受到损伤的担忧。可以代替将温度传感器安装于半导体元件来进行温度管理而确定半导体元件的内部电阻和温度的关系，并基于该关系进行半导体元件的温度管理。能够不使用温度传感器地在加热熔融工序中对半导体元件的温度进行管理。

作为适用于本说明书所公开的制造方法的半导体元件的一个例子，有晶体管。通过向晶体管的栅极施加半导通电压，并且使电流在晶体管的第1电极(集电极或者漏极)与第2电极(发射极或者源极)之间流动，能够使晶体管发热。其中，半导通电压是在第1电极与第2电极之间开始流动电流的电压(阈值电压)和第1电极与第2电极之间完全导通的电压(完全导通电压)之间的电压。通过施加半导通电压，使得晶体管成为高电阻状态，若使电流在第1电极与第2电极之间流动，则晶体管容易发热。

另外，若接合材料熔融，则接合材料与导体(或者半导体元件)之间的电阻急剧变低。在加热熔融工序中，在接合材料熔融之前接合材料与导体(或者半导体元件)之间的电阻很高，若熔融则电阻急剧变小。因此，接合材料发生了熔融的时刻能够被确定为以恒定的电压向半导体元件持续流动的电流产生了变化的时刻。在本说明书所公开的制造方法中，可以向半导体元件施加规定的恒定电压，并在半导体元件流动的电流产生了变化的时刻停止电压施加。根据本制造方法，能够在接合材料熔融了的时刻使电流停止。

本说明书所公开的技术的更详细的改进通过以下的“具体实施方式”来进行说明。

附图说明

图1是对实施例的制造方法进行说明的图。

图2是在图1中增加了半导体元件的电路的图。

图3是实施例的制造方法的流程图。

图4是对第1变形例的制造方法进行说明的图。

图5是对第2变形例的制造方法进行说明的图。

图6是表示二极管的电阻与温度的关系的一个例子的图表。

图7是表示晶体管的电阻与温度的关系的一个例子的图表。

图8是在加热熔融工序中流过半导体元件的电流的时间变化的一个例子。

附图标记的说明

2...半导体元件；3、4...金属板；5、5a、5b...焊料(solder)；8...晶体管；8c...集电极(collectorelectrode)；8e...发射极(emitterelectrode)；8g...栅电极；9...二极管；10...半导体装置；20、120、220...制造装置；21...稳定电源；22a、22b...加热用电极；23...温度传感器；24...栅极驱动装置；26...电流传感器；27...电压传感器；29...控制器。

具体实施方式

参照附图，对实施例的制造方法进行说明。图1是对实施例的制造方法进行说明的图，并且是示意地描绘了完成前的半导体装置10和制造装置20的图。半导体装置10是在平板型的半导体元件2的两面通过焊料5接合有金属板3、4的器件。其中，图1是金属板3、4接合前的图。图2是在图1中增加了半导体元件2的电路的图。在图1、图2中，为了帮助理解而将焊料5涂灰。

如图2所示，半导体元件2是晶体管8与二极管9以反向并联的方式连接而成的rc－igbt(反向导通igbt)。其中，晶体管8是igbt(insulatedgatebipolartransistor：绝缘栅双极晶体管)。在半导体元件2的一个面2a露出晶体管8的发射极8e，在另一个面2b露出集电极8c。在半导体元件2的内部，在发射极8e连接有二极管9的阳极，在集电极8c连接有二极管9的阴极。

图3中示出半导体装置10的制造方法的流程图。参照图1与图2，并按照图3的流程图对制造方法进行说明。

(组装工序)使露出于半导体元件2的一个面2a的发射极8e和金属板3之间夹着焊料5a，使露出于另一个面2b的集电极8c和金属板4之间夹着焊料5b，使半导体元件2与金属板3、4和焊料5a、5b重叠(步骤s2)。如众所周知那样，焊料5a、5b是因热熔融并且若在熔融后冷却则将所接触的物体彼此接合的接合材料。

(加热熔融工序)制造装置20具备稳定电源21、加热用电极22a、22b、温度传感器23以及控制器29。将加热用电极22a(正极)安装于金属板3，且将加热用电极22b(负极)安装于金属板4(步骤s3)。将温度传感器23安装于金属板4。控制器29启动稳定电源21，使电流经由加热用电极22a、22b和金属板3、4向半导体元件2(二极管9)流动(步骤s4)。图1、图2中的粗箭头线表示电流的流动。若电流在二极管9流动，则二极管9因内部电阻而发热。在控制器29连接有温度传感器23的信号线(图中的虚线)。控制器29基于温度传感器23的计量温度来控制稳定电源21，调整向半导体元件2(二极管9)流动的电流，以使半导体元件2不超过耐热温度。即，控制器29将半导体元件2的温度保持为规定范围(步骤s5)。规定范围是不给二极管9带来损伤、且使焊料5a、5b熔融的温度范围。如果在温度被保持于规定范围的状态下经过规定时间，则焊料5a、5b熔融。利用熔融的焊料5a使夹着焊料5a的发射极8e侧的面2a与金属板3接合。利用熔融的焊料5b使夹着焊料5b的集电极8c侧的面2b与金属板4接合。

(冷却工序)在焊料5a、5b熔融之后，控制器29使稳定电源21停止，从而停止电流(步骤s6)。若停止电流则焊料5a、5b冷却。若熔融的焊料5a、5b冷却，则焊料5a、5b固化，从而半导体元件2与金属板3、4完全接合。经过加热熔融工序和冷却工序，使得半导体元件2与金属板3、4接合。最后，将加热用电极22a、22b从半导体装置10取下。这样，完成了在半导体元件2的一个面2a(发射极8e)接合有金属板3并在另一个面2b(集电极8c)接合有金属板4的半导体装置10。

此外，在图3的流程图的处理之后，半导体装置10被放入到用于形成树脂封装体的成型模，在金属板3、4之间形成树脂制的封装体，使得半导体元件2被密封。完成金属板3、4的一个面(与朝向半导体元件2的面相反侧的面)从树脂封装体露出的半导体模块(半导体装置)。

实施例的制造方法使电流向半导体元件2流动，利用由半导体元件2的内部电阻引起的自身发热使焊料5熔融。实施例的制造方法使用作为半导体装置10的部件的半导体元件2本身来使焊料5熔融。在实施例的制造方法中，不需要从外部对半导体元件2进行加热的专用的发热装置，能够简单地制造半导体装置10。

(第1变形例)先前的实施例的制造方法利用半导体元件2所包含的二极管9的内部电阻来使半导体元件2发热，使焊料5熔融。在半导体元件2包括晶体管的情况下，也能够利用晶体管的内部电阻来使半导体元件发热。

参照图4，对第1变形例的制造方法进行说明。该制造方法与实施例相同，是将金属板3、4与半导体元件2接合的制造方法。半导体元件2与实施例的情况相同，在内部包括晶体管8与二极管9的反向并联电路。

(组装工序)组装工序与实施例的情况相同。即，使露出于半导体元件2的一个面2a的发射极8e与金属板3之间夹着焊料5a，使露出于另一个面2b的集电极8c与金属板4之间夹着焊料5b，并使半导体元件2与金属板3、4和焊料5a、5b重叠(步骤s2)。

(加热熔融工序)制造装置120具备稳定电源21、加热用电极22a、22b、温度传感器23、栅极驱动装置24、以及控制器29。将加热用电极22a(正极)安装于金属板4(集电极8c侧)，将加热用电极22b(负极)安装于金属板3(发射极8e侧)(步骤s3)。加热用电极22a(正极)经由金属板4与igbt8的集电极8c连接，加热用电极22b(负极)经由金属板3与发射极8e连接。应当注意，加热用电极22a(正极)、22b(负极)与晶体管8的集电极8c、发射极8e的连接和先前的实施例相反。

将温度传感器23安装于金属板3。将栅极驱动装置24与晶体管8的栅电极8g连接。接下来，控制器29启动栅极驱动装置24，向晶体管8的栅电极8g施加半导通电压。在向栅电极8g施加半导通电压的同时，控制器29启动稳定电源21而使电流向晶体管8(半导体元件2)流动(步骤s4)。半导通电压是晶体管8不彻底接通的电压。半导通电压是在集电极8c和发射极8e之间开始流动电流的电压(阈值电压)、与两方电极之间完全导通的电压(完全导通电压)之间的电压。若在集电极8c与发射极8e之间施加了半导通电压，则在集电极8c与发射极8e之间的电阻很高的状态下，电流在两个电极间流动。由于在两个电极间的电阻很高的状态下流动电流，所以晶体管8(半导体元件2)容易发热。

控制器29基于温度传感器23的计量温度来控制稳定电源21，调整向半导体元件2(晶体管8)流动的电流，以使半导体元件2不超过耐热温度。即，控制器29将半导体元件2的温度保持为规定范围(步骤s5)。如果在半导体元件2的温度被保持为规定范围内的状态下经过规定时间，则焊料5a、5b熔融。利用熔融的焊料5a、5b将金属板3、4接合于半导体元件2。

(冷却工序)在焊料5a、5b熔融之后，控制器29使稳定电源21停止，从而停止电流(步骤s6)。同时，栅极驱动装置24也停止。焊料5冷却而固化，使得半导体元件2与金属板3、4完全接合。之后的工序与实施例的情况相同。经过加热熔融工序和冷却工序，半导体元件2与金属板3、4接合。该第1变形例的制造方法一边将晶体管8保持为半导通状态(高电阻状态)一边使电流流动，从而使晶体管8发热。第1变形例的制造方法适合于将金属板接合于包含晶体管8的半导体元件。

(第2变形例)在实施例与第1变形例中，使用温度传感器23对半导体元件2的温度进行管理。半导体元件的内部电阻与温度之间存在规定的关系。利用该关系，也能够一边不需要温度传感器地进行温度管理一边制造半导体装置。

图5中示出对第2变形例的制造方法进行说明的图。制造对象的半导体装置10与实施例的情况相同。组装工序也与实施例的情况相同，因此省略说明。

(加热熔融工序)制造装置220具备稳定电源21、加热用电极22a、22b、电流传感器26、电压传感器27、以及控制器29。将加热用电极22a(正极)安装于金属板3并将加热用电极22b(负极)安装于金属板4的工序与实施例的情况相同(步骤s3)。

电流传感器26计量在半导体元件2流动的电流，电压传感器27对施加于半导体元件2的两个电极的电压进行计量。电流传感器26与电压传感器27的计量数据被发送至控制器29。

控制器29启动稳定电源21，使电流向半导体元件2(二极管9)流动(步骤s4)。若使电流在二极管9流动，则二极管9因内部电阻而发热。在控制器29存储有二极管9的内部电阻和温度的关系。图6中示出二极管9的内部电阻和温度的关系的一个例子。图6的横轴表示施加于二极管9的电压，纵轴表示在二极管9流动的电流。将施加电压除以与该施加电压对应的电流所得的值相当于内部电阻。即，图6的图表表示了二极管9的内部电阻。二极管9具有如下特性：在正向施加的电压超过规定的阈值之前展现非常大的电阻值，若施加电压超过阈值则内部电阻急剧降低。

实线的曲线g1表示二极管9的温度为t1时的内部电阻的变化，点划线的曲线g2表示温度为t2时的内部电阻的变化，虚线的曲线g3表示温度为t3时的内部电阻的变化。这里，温度t1高于温度t2，温度t2高于温度t3(t1＞t2＞t3))。根据图6可知，温度越低，则电流急剧增加的电压(即，内部电阻急剧降低的电压)越高。控制器29根据图6的图表的关系与电流传感器26、电压传感器27的计量数据，推断二极管9(半导体元件2)的温度，并以推断出的温度保持规定范围的方式控制稳定电源21。

如果将半导体元件2的温度保持为规定范围并经过规定时间，则焊料5a、5b熔融。由于冷却工序与实施例的情况相同，因此省略说明。

在第2变形例的制造方法中，预先确定二极管9(半导体元件2)的内部电阻和温度的关系，并存储于控制器29。控制器29基于该关系调整稳定电源21，以使二极管9(半导体元件2)的温度保持规定范围。在第2变形例的制造方法中，不需要温度传感器，使得制造装置变得简单。

在半导体元件为晶体管的情况下，半导体元件的内部电阻与温度也存在特定的关系，可以使用该关系来进行加热熔融工序中的温度管理。图7中示出晶体管的内部电阻与温度的关系的一个例子。横轴表示施加于集电极/发射极间的电压，纵轴表示集电极电流。曲线g4与g5表示mosfet(metaloxidefieldeffecttransistor：金属氧化物场效应晶体管)的情况的关系，曲线g6与g7表示igbt(insulatedgatebipolartransistor：绝缘栅双极晶体管)的情况的关系。实线的曲线g4、g6表示温度为t4时的关系，虚线的曲线g5与g7表示温度为t5时的关系。温度t5比温度t4高(t4＜t5)。

在图7中，将集电极/发射极间电压除以对应的集电极电流所得的值也相当于晶体管的内部电阻。若使用图7的关系，则在将金属板接合于包含晶体管的半导体元件的制造方法中，也能够在加热熔融工序中不需要温度传感器地将半导体元件的温度保持为规定范围。

在加热熔融工序中，也可以对半导体元件预先施加恒定的电压，在半导体元件流动的电流急剧变化的时刻停止施加电压。在焊料熔融之前，对于固体的焊料与金属板(或者半导体元件)而言，由于固体彼此的接触所以两者间的接触电阻很大。若焊料熔融，则两者之间的接触电阻急剧变小。因此，在加热熔融工序中，若焊料熔融，则在半导体元件流动的电流急剧变大。图8中示出在加热熔融工序中流过半导体元件的电流的时间变化的一个例子。在该例中，在加热熔融工序中，控制器29控制稳定电源21，以便向半导体元件持续施加恒定的电压。在图8的例子中，电流在时刻t1从i1急剧变化至i2。即，能够检测到焊料在时刻t1熔融。控制器29在电流产生了变化的时刻t1停止电压施加。这样，控制器29能够在焊料熔融之后停止电压。

以下，总结了在实施例中说明的一些技术特征。实施例的制造方法具备组装工序、加热熔融工序、以及冷却工序。在组装工序中，向半导体元件2的露出有发射极8e的面2a与金属板3之间夹入熔融前的焊料5a，向露出有集电极8c的面2b与金属板4之间夹入熔融前的焊料5b。在加热熔融工序中，控制器29使电流经由金属板3、4向半导体元件2流动。半导体元件2因内部电阻而发热。控制器29使电流向半导体元件2流动直至焊料5熔融为止。控制器29在焊料5熔融之后，停止电流。在冷却工序中，停止电流，使焊料5冷却而固化。经过加热熔融工序和冷却工序，使得半导体元件2与金属板3、4接合。该制造方法利用半导体元件的基于内部电阻的自身发热来使焊料熔融。由于不需要对焊料进行加热的专用的加热装置，所以能够简单地以低成本使金属板与半导体元件接合。

对与实施例中说明的技术有关的注意点进行叙述。实施例的制造方法与放入到高温炉而使接合材料熔化的方法相比，存在如下的优点。在放入到高温炉的方法中，接合材料从其周缘开始熔化。该情况下，存在在接合材料的中心产生空隙(void)的情况。另一方面，在实施例的制造方法中，由于接合材料从与半导体元件接触的部分开始熔化，所以难以产生空隙。

实施例中的焊料5相当于接合材料的一个例子。实施例的制造方法中使用的接合材料只要是会因热而熔融的类型即可，不限定于焊料。实施例的金属板3、4相当于与半导体元件接合的导体的一个例子。与半导体元件接合的导体也可以不是金属板而是导体块。

晶体管8的发射极8e和集电极8c的一方相当于第1电极的一个例子，另一方相当于第2电极的一个例子。本说明书所公开的技术不限定于包含晶体管或者二极管的半导体元件，能够应用于具有内部电阻的各种元件。

以上，对本发明的具体例进行了详细的说明，但它们不过是例示，并不限定技术方案。技术方案所记载的技术包含将以上例示出的具体例进行各种各样的变形、变更后的技术。本说明书或者附图中说明的技术要素单独或者通过各种组合发挥技术的有用性，并不限定于申请时技术方案所记载的组合。另外，本说明书或者附图所例示的技术能够同时实现多个目的，实现其中一个目的本身就具有技术的有用性。