半導體裝置的製造方法、隔熱負荷夾具及其設置方法

2023-10-07 05:59:59 3

半導體裝置的製造方法、隔熱負荷夾具及其設置方法
【專利摘要】本發明的隔熱負荷夾具(11)在電路基板(12)和半導體晶片(13)之間夾著在半導體晶片(13)的耐熱溫度～100℃以下的範圍內具有熔點或固相線溫度的焊料材料(14)，在該狀態的半導體晶片(13)的上部設置熱絕緣體(17)，在熱絕緣體(17)的上部配置金屬錘(16)，在使焊料材料(14)熔解而固化的期間，對半導體晶片(13)施加負荷。
【專利說明】半導體裝置的製造方法、隔熱負荷夾具及其設置方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及利用高溫焊料接合材料接合半導體元件和基板而構成的半導體裝置的製造方法、用於高溫焊料材料的接合的隔熱負荷夾具及隔熱負荷夾具的設置方法。

【背景技術】
[0002]與現有的矽(Si)或砷化鎵(GaAs)的半導體裝置相比，使用了碳化矽(SiC)或氮化鎵(GaN)、金剛石(C)等寬帶隙半導體的功率半導體裝置的導通電阻低，且能夠以較高的半導體接合溫度(Tj)進行高電壓、大電流的動作。因此，期待在半導體裝置的小面積化的同時，大幅度簡化冷卻器，能夠實現小型輕量且廉價的功率電子系統。
[0003]在這種功率半導體裝置的與導電性基板接合的接合部分(所謂的利用焊料進行的晶片焊接)顯然要求較高的耐熱性。因此，作為這些功率半導體裝置的焊料材料，探討有高熔點的AuGe共晶焊料(熔點356°C ) ,AuSi共晶焊料(熔點363°C ) ,ZnAl共晶焊料(熔點380°C )等(非專利文獻I?3，專利文獻I)。
[0004]但是，若使用這些高溫焊料材料形成半導體裝置的接合，則如非專利文獻I的圖6或專利文獻2的圖8a所示，容易在高溫焊料層產生空隙，而該空隙的減少成為重要的開發課題(第一現有技術)。
[0005]在此，用於抑制晶片接合焊料的空隙產生的公知方法是，在半導體裝置上載置金屬制的錘，在該狀態下進行加熱，使焊料回流。作為最精製的焊料夾具的具體例之一，可以列舉例如非專利文獻3的圖22 (第二現有技術)。
[0006]專利文獻1:(日本)特開2009 - 125753號公報
[0007]非專利文獻1:S.Tanimoto el al, Proceedings of IMAPS HiTEC 2010 (May 11 —13,2010,Albuquerque, New Mexico, USA), pp.32 — 39.
[0008]非專利文獻2:Y.Yamada el al, Microelectronics Reliability Vol.47 (2007)pp.2147 - 2151.
[0009]非專利文獻3:Michael J.Palmer al, Proceedings of IMAPS HiTEC 2010 (May11 — 13，2010, Albuquerque, New Mexico, USA), pp.316 — 324.
[0010]但是，如果採用上述的第二現有技術使功率半導體裝置和基板利用高溫焊料接合，雖然實現空隙的減輕，但功率半導體裝置受到熱損傷，常發生不良情況或可靠性劣化，因此，具有不能實際應用的問題。此時的不良情況(或可靠性降低)的模式為柵極一源極(基極一發射極)之間的短路、絕緣不良或柵極絕緣膜的耐壓降低等。


【發明內容】

[0011]因此，本發明是鑑於上述情況而設立的，本發明的第一目的在於提供一種不產生熱損傷的高溫焊料空隙減少技術。另外，本發明的第二目的在於採用該改良技術實現減少了空隙的高溫焊料晶片接合、功率半導體裝置。
[0012]本發明通過在電路基板和半導體晶片之間夾著在半導體晶片的耐熱溫度?100°C以下的範圍內具有熔點或固相線溫度的焊料材料，在從半導體晶片的上部經由熱絕緣體施加負荷的狀態下使焊料材料熔解並固化，從而將電路基板和半導體晶片接合。由此，本發明實現上述兩個目的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是表示使用了本發明的隔熱負荷夾具的回流裝置的構成的框圖；
[0014]圖2是表示本發明第一實施例的隔熱負荷夾具的構造的剖面圖；
[0015]圖3是表示本發明的隔熱負荷夾具的熱絕緣體的構造的圖；
[0016]圖4是表示本發明第一實施例的隔熱負荷夾具的設置方法的順序的流程圖；
[0017]圖5是表示使用了本發明的隔熱負荷夾具的回流工序的順序的流程圖；
[0018]圖6是用於說明使用了本發明的隔熱負荷夾具的半導體裝置的製造方法的效果的圖；
[0019]圖7是表示本發明第二實施例的隔熱負荷夾具的構造的剖面圖；
[0020]圖8是表示本發明第二實施例的隔熱負荷夾具的設置方法的順序的流程圖；
[0021]圖9是表示本發明第三實施例的隔熱負荷夾具的構造的剖面圖；
[0022]圖10是表示本發明第三實施例的隔熱負荷夾具的設置方法的順序的流程圖；
[0023]圖11是表示本發明第四實施例的隔熱負荷夾具的構造的剖面圖；
[0024]圖12是表示本發明第五實施例的隔熱負荷夾具的構造的剖面圖；
[0025]圖13是表示本發明第五實施例的隔熱負荷夾具的設置方法的順序的流程圖。
[0026]標記說明
[0027]1:回流裝置
[0028]2a、2b:腔室
[0029]3:排氣裝置
[0030]4:氣體供給裝置
[0031]5:基座
[0032]6:燈加熱器
[0033]7:程序控制裝置
[0034]10:接合試樣
[0035]11、31、41、45、60:隔熱負荷夾具
[0036]12:SiN 基板
[0037]13:SiC功率晶片
[0038]14:AuGe 焊料
[0039]l5a、l5b:Cu 電路板
[0040]16、36:金屬錘
[0041]17、37:熱絕緣體
[0042]18、46:晶片校準板
[0043]19、39、47、61:錘支承板
[0044]20a、21b、49、50:連結柱
[0045]42、62:重心穩定化框架
[0046]70:熱絕緣體負荷

【具體實施方式】
[0047]以下，參照附圖對應用了本發明的第一?第五實施例進行說明。
[0048][第一實施例]
[0049]參照圖1?圖4說明使用了本發明的隔熱負荷夾具的半導體裝置的製造方法的第一實施例。此外，這些圖是為了容易理解本發明而示意性地表示的圖，厚度和平面尺寸的關係或各層的厚度比率等被放大記載。
[0050]另外，在以下的說明中，以作為半導體裝置而使用SiC功率元件晶片的情況、作為電路基板而使用在SiN陶瓷板的兩面貼附Cu板作為電路導體的電路基板(以下，有時簡稱為基板)的情況、作為高溫焊料而使用AuGe共晶焊料的情況為例進行說明。但是，這些為一例，作為半導體功率元件，即使是GaN元件、金剛石元件、ZnO元件等其它寬帶隙半導體元件，即使是用於高溫用途的Si半導體元件(功率元件或SOI元件、傳感器元件)，也可同樣適用。另外，電路導體不限於在SiN陶瓷板上貼附的Cu板，也可以是在其它種類的陶瓷基板上貼附的Cu板，還可以是在其它種類的陶瓷基板(A1203或AlN等)或絕緣體上貼附的Cu板以外的金屬板(Al或CuMo等)，另外，也可以是由Cu板或Cu以外的金屬單體(無陶瓷板或絕緣板等)構成的單純的金屬板(在該情況下，金屬板本身成為電路基板)。另外，高溫焊料能夠定義為在使用的半導體裝置的耐熱溫度?100°C以下的範圍內具有熔點或固相線溫度的焊料，既可以是Au — Si或Zn — Al，也可以是除此以外的材料。
[0051][回流裝置的構成]
[0052]對本發明中使用的高溫焊料接合形成裝置的整體構成進行說明。
[0053]圖1是使用本發明的隔熱負荷夾具的接合裝置的主要部分截面示意圖。標記I是通用的回流裝置，其具備:密封式腔室2a、2b ;將腔室內部減壓的排氣裝置3 ;向腔室內部送出低露點的惰性氣體如或隊)的氣體供給裝置4。在腔室內部設置有由碳或Al構成的水平放置的基座5、和能夠快速加熱基座5的燈加熱器6。腔室內部的環境及基座5的溫度由程序控制裝置7控制。
[0054]在基座5之上放置接合試樣10,在接合試樣10之上載置用於對接合試樣10隔熱性地施加負荷的隔熱負荷夾具11。
[0055]圖2是接合試樣10和隔熱負荷夾具11的詳細圖，表示接合之前的狀態。
[0056]接合試樣10由與基座5相接設置的SiN(氮化矽)基板12、SiC功率晶片13、夾持在SiN基板12和SiC功率晶片13之間的AuGe共晶焊料片材(或膏)14構成，在SiN基板12的兩面利用銀焊料(未表示)等貼附有Cu電路板15a、15b。在該Cu電路板15a、15b的表面上實施鍍Ni/Au(未表示)。Cu電路板15a、15b表面的覆膜根據高溫焊料的種類而適當變更。例如，在共晶ZnAl焊料的情況下，優選為Ni/Cu。另外，在SiC功率晶片13的背面即接合面上覆蓋有Ti/Ni/Ag等通常的焊料用金屬鍍層(未表示)。
[0057]—隔熱負荷夾具11至少由柱狀(圓柱或稜柱)的金屬性金屬錘16、配設於金屬錘16和SiC功率晶片13之間的熱絕緣體17構成，根據需要，能夠附設晶片對準板18、錘支承板 19、連結柱 20a,20b...。
[0058]金屬錘(金屬負荷裝置)16以與現有技術的金屬錘相同的方式作為對SiC功率晶片13施加的負荷的發生源發揮作用。能夠以熱絕緣體17為媒介而對SiC功率晶片13施加與現有技術同等的負荷。形狀優選易取得力學上的平衡的圓柱或多稜柱，但不限定於此。金屬錘16的重量以晶片負荷(壓力)至少為0.lg/cm2以上，優選為0.3g/cm2以上的方式確定。
[0059]熱絕緣體(熱絕緣裝置)17發揮截斷(精確有力地抑制)SiC功率晶片13和金屬錘16之間的導熱的作用。S卩，在SiC功率晶片13的溫度較高時，截斷熱從SiC功率晶片13向金屬錘16的移動，在金屬錘16的溫度較高時，截斷其反向的流動。通過這種熱絕緣體17的隔熱作用，SiC功率晶片13不會受到熱容量非常大的金屬錘16的熱影響，能夠隨著基座5的溫度變化而快速地升溫、快速地降溫。作為熱絕緣體17的材質，優選氧化鋁或導熱率比氧化鋁低且充分承受回流溫度的絕緣體(例如塊滑石磁器、硼矽玻璃等)。熱絕緣體17的形狀可使用例如圖2所示那樣的平坦的圓柱狀或多稜柱狀的單純的顆粒，但為了進一步提高隔熱效果，更優選形成為限制SiC功率晶片13和金屬錘16的導熱的形狀。作為這種構造，在從SiC功率晶片13通向金屬錘16的導熱路徑中，至少在一處具備細芯構造。例如，具有圖3所示那樣的立錐(圓錐或多稜錘)或倒立錐，或圖釘形(正立、倒立)、針狀形等。但是，倒立錐及倒立圖釘形、倒立針狀形的尖端為了不損傷SiC功率晶片13的表面電極，形成為帶有RlOOym程度的圓弧的形狀。另外，將熱絕緣體17的構造形成為多孔質(浮石狀)也是極其有效果的。另外，使SiC功率晶片13或金屬錘16的接觸面粗糙面化也具有相應的效果。
[0060]此外,熱絕緣體17和金屬錘16也可以一體化而設為熱絕緣體負荷(熱絕緣負荷裝置)。
[0061]晶片對準板(晶片對準裝置)18 (圖2)具備相對於SiN基板12的對準功能，在SiN基板12的規定位置具有用於配置焊料片材和SiC功率晶片的晶片貫通口。晶片對準板18為熱容量較小的材料，例如為石墨或氧化鋁製，主要的作用是作為用於在SiN基板12的規定位置配置SiC功率晶片13的樣板發揮作用。進行使SiN基板12 —意地嵌入在下面雕刻的凹部而進行對準。在用於配置SiC功率晶片13的位置(必然成為Cu電路板15a上的位置)上開設有比SiC功率晶片13稍大的晶片貫通口。
[0062]錘支承板(錘支承裝置)19配置在從晶片對準板18向上方離開規定距離的位置，具備相對於晶片對準板18或SiN基板12的對準功能，在與晶片貫通口的位置對應的位置具有錘貫通口。錘支承板19也與晶片對準板18同樣地，由熱容量較小的材料(石墨或氧化鋁等)形成，具備用於確定設置金屬錘16的位置的功能和防止金屬錘16在接合處理中顛倒的功能。
[0063]連結柱20a、20b...是以規定的位置關係連結晶片對準板18和錘支承板19並進行固定的部件。為了實現該功能，在錘支承板19和晶片對準板18的規定位置設有連結柱能夠少間隙地插入的插入孔。為了提高隔熱負荷夾具11的安裝操作性，優選固定錘支承板19和連結柱20a、20b...的連結，使晶片對準板18和連結柱20a、20b...的連結拆裝自如或形成其相反的構成。
[0064][隔熱負荷夾具的設置方法]
[0065]接著，參照圖4說明上述的高溫焊料接合裝置中使用的隔熱負荷夾具的設置方法。
[0066]首先，在步驟SlOl中，準備需要量的SiC功率晶片13和SiN(氮化矽)基板12，使用丙酮或異丙醇等有機溶劑進行洗淨，除去附著於這些前體材料表面的汙染物。在此，SiC功率晶片13是要應用的SiC功率半導體元件，準備MOSFET或JFET、BJT等功率晶片、肖特基二極體或Pn結二極體等功率晶片等必要的晶片。
[0067]接著，在步驟S102中，打開圖1的回流裝置I的腔室2a，在基座5上設置SiN基板12(圖2)。然後，在步驟S103中，使晶片對準板18—邊對準一邊覆蓋在SiN基板12上。放置晶片對準板18後，接著在步驟S104中，使AuGe共晶焊料片材14和SiC功率晶片13依次落下並設置在設於晶片對準板18的開口部即晶片貫通口，在步驟S105中，在SiC功率晶片13上設置熱絕緣體17。此時，顯然使SiC功率晶片13的接合面(背面)與AuGe共晶焊料片材14相接而設置。在熱絕緣體17與金屬錘16成為一體的情況下，熱絕緣體17在設置之後的金屬錘16時一起設置。
[0068]接著，在步驟S106中，將插入連結柱20a、20b...的狀態下的錘支承板19安裝在晶片對準板18上。該動作通過向在晶片對準板18上雕刻的規定孔正確地插入連結柱20a、20b...而執行。
[0069]最後，在步驟S107中，穿過錘支承板19的錘貫通口，在熱絕緣體17上設置金屬錘16，由此，隔熱負荷夾具11的設置結束。
[0070][回流工序的處理]
[0071]接著，上述的隔熱負荷夾具11的設置結束後，關閉圖1的回流裝置I的腔室2a而執行回流工序。
[0072]以下，參照圖5說明回流工序的處理。此外，該回流工序中的溫度控制或氣體送出控制、排氣控制根據來自上述的程序控制裝置7的指令進行。
[0073]首先，在步驟S201中，使回流裝置I的排氣裝置3動作，進行腔室2a、2b內部的排氣。如果腔室2a、2b內部的壓力成為5毫巴以下，則從氣體供給裝置4導入低露點的惰性氣體。進行數次該操作，利用惰性氣體置換試樣室內的空氣。
[0074]惰性氣體的置換結束後，接著在步驟S202中進行預加熱。對燈加熱器6通電而加熱基座5，將SiN基板12和SiC功率晶片13的溫度升溫至大概200°C，保持該溫度約兩分鐘。此時,也可以導入含有甲酸蒸氣的惰性氣體來促進汙染有機物的除去。
[0075]接著，在步驟S203中停止惰性氣體的導入，使排氣裝置3動作而進行腔室2a、2b內部的排氣，減壓至壓力為5毫巴以下，並且提高燈加熱器6的功率，進一步加熱基座5，將SiN基板12和SiC功率晶片13的溫度升溫至在高溫焊料的液相線溫度(在AuGe的情況下，356°C=熔點)?最大420°C的溫度區域中制定的規定溫度並保持。保持時間最長在5分鐘以內。例如，利用AuGe焊料將規定的溫度設為400°C時的典型的保持時間為I分鐘。如果超過熔點(356°C )，則AuGe焊料成為熔液而被隔熱負荷夾具11的負荷壓碎，此時殘留氣體等產生的氣泡通過負壓效果和高溫效果的相輔相成而在焊料層外產生並最小化。
[0076]接著，在步驟S204中，向設置成負壓狀態的腔室2a、2b內導入惰性氣體，並立即開始基座5及SiN基板12、SiC功率晶片13的降溫。在該惰性氣體導入後的短時間內，殘存於AuGe焊料熔液的氣泡隨著外壓上升和溫度的驟減而極小化，且在該狀態下熔液固化，因此，能夠形成氣泡引起的空隙較少的AuGe接合層。
[0077]另外，SiC功率晶片13夾設熱絕緣體17並與高熱容量的金屬錘16相接，故而與現有技術相比，能夠進行SiC功率晶片13的迅速冷卻，也能夠減少AuGe焊料層和SiC功率晶片13的焊料金屬鍍層或Cu - SiN基板Cu電路板15a的鍍層的固層合金反應(柯肯達爾效應)引起的空隙。
[0078]如果將基座5及SiN基板12、SiC功率晶片13冷卻至室溫，則在步驟S205中打開腔室2a，卸下隔熱負荷夾具11，若取出接合試樣10 ( = SiC功率晶片/SiN基板接合體)，則高溫焊料接合半導體裝置完成並結束本實施例的回流工序。
[0079][第一實施例的效果]
[0080]如以上詳細地說明，根據本實施例的隔熱負荷夾具，形成為從半導體裝置的上部經由熱絕緣體施加負荷的構成，故而將半導體裝置和負荷之間隔熱，能夠進行迅速升溫、焊料的短時間熔解和迅速降溫。由此，能夠減少空隙，並且能夠避免過度的溫度上升和長時間的加熱處理，實際上消除半導體裝置的熱損傷。其結果，能夠以較高的成品率實現由空隙較少的高溫焊料接合的高可靠功率半導體裝置。
[0081]以下，參照圖6詳細說明本實施例的隔熱負荷夾具的效果。圖6是將通過本實施例製作的高溫焊料(AuGe)接合半導體裝置和根據第一現有技術(不使用錘的方法)的高溫焊料接合半導體裝置比較的典型的微聚焦透射X射線照片。看起來為正方形的SiC晶片的尺寸為2X2mm2。在照片上看起來相對較白的反差為在高溫焊料層內存在的空隙(空隙)。
[0082]當比較這些照片時，差異明顯。根據本實施例的高溫焊料接合半導體裝置及其製造方法，與基於第一現有技術的高溫焊料接合半導體裝置相比，使空隙的佔有面積減少至1/10以下。即使本實施例的空隙佔有率較高，也為5%以下，典型性地為不足2% (圖6的右照片)。還能夠以高概率得到完全沒有空隙產生的裝置。該結果在以下所示的其它實施例中均相同。
[0083]根據以上情況可以說，本發明的高溫焊料接合半導體裝置及其製造方法解決了作為第一現有技術的問題的「易在高溫焊料層產生空隙」之類的問題。
[0084]基於本發明及第二現有技術，在空隙產生變少的條件下分別製作30個高溫焊料(AuGe)接合半導體裝置，結果，在特性試驗中，本發明的半導體裝置全部為良品，而第二現有技術的半導體裝置中，21個為不良，9個為良品。不良的模式為柵極一源極間的短路或耐電壓不足。接著，對本發明的30個半導體裝置和第二現有技術的9個半導體裝置的良品進行300°C放置試驗，結果第二現有技術的半導體裝置在100小時以內全部成為不良。而本發明的半導體裝置全部完成3000小時的試驗，且沒有產生不良。
[0085]根據以上情況，可以說本發明的高溫焊料接合半導體裝置及其製造方法解決了作為第二現有技術的問題的「功率半導體裝置由於焊料接合工序而受到熱損傷，常發生不良情況或可靠性劣化，因此不能實際應用」之類的問題。
[0086]這樣，本發明的高溫焊料接合半導體裝置及其製造方法能夠以較高的成品率提供減少空隙的高溫焊料接合高可靠功率半導體裝置。
[0087]接著，對本發明的高溫焊料接合半導體裝置及其製造方法如何能夠防止不良或可靠性降低進行說明。
[0088]可知，考慮了生產時的焊料接合的回流溫度經驗上為熔點(或液相線溫度)的約+500C。在AuGe的情況下，其溫度為406°C，在AuSi的情況下為413°C，在ZnAl焊料的情況下為430°C。另一方面，通過Si半導體製造技術製作的現在的SiC功率晶片的製造時的耐熱性在420°C下為數十分鐘的水平。注意到在高溫焊料的推薦回流溫度和功率晶片的耐熱溫度之間幾乎沒有餘量的點的本發明的
【發明者】們著眼於第二現有技術的溫度履歷，基於實驗得到以下所示的重要見解。
[0089]在第二現有技術即非專利文獻3記載的半導體裝置的製造法方法的高溫焊料接合工序中，成為SiC功率晶片與熱容量較大的金屬錘直接相接的構成，故而難以升溫，當要在短時間內形成為規定溫度時，SiC功率晶片的位置的溫度超標而超過耐熱溫度，引起SiC功率晶片的損傷或較強的劣化。在為了減輕該問題而花費長時間進行升溫時，超標消除，但SiC功率晶片停留在規定的回流溫度附近的時間變得非常長，在該情況下，也產生晶片的熱損傷。暫時成為高溫的金屬錘在回流後的降溫過程中成為熱的供給源，而SiC功率晶片的溫度難以下降也是引起熱損傷的原因之一。
[0090]因此，在理解了這些熱損傷的機理的基礎上，本
【發明者】進行銳意努力，並最終完成本發明。即，在本發明的高溫焊料接合半導體的製造方法的高溫焊料接合工序中，形成為經由熱絕緣體17對SiC功率晶片13施加金屬錘16的負荷的構成。因此，將SiC功率晶片13和金屬錘16隔熱，並且金屬錘16在回流工序中不會成為高溫，因此，能夠在不引起溫度超標的條件下迅速地升溫並立即降溫。還能夠消除SiC功率晶片長時間停留在回流溫度附近的危險。這樣，本發明的高溫焊料接合半導體裝置及其製造方法成功解決了作為第二現有技術的重大問題的「功率半導體裝置由於焊料接合工序而受到熱損傷，常發生不良情況」之類的問題。
[0091]另外，根據本實施例的隔熱負荷夾具，具備以拆裝自如的方式將晶片對準板18和錘支承板19之間連結的連結柱20a、20b...，因此，能夠將晶片對準板18和錘支承板19之間以規定的位置關係連結並固定。
[0092]進而，根據本實施例的隔熱負荷夾具，由於將連結柱20a、20b..?固定在晶片對準板18或錘支承板19上，故而能夠提高安裝操作性。
[0093]另外，根據本實施例的隔熱負荷夾具，熱絕緣體17在從SiC功率晶片13通向金屬錘16的導熱路徑中，至少在一處具備細芯構造，故而能夠進一步提高SiC功率晶片13和金屬錘16之間的隔熱效果。
[0094]另外，根據本實施例的隔熱負荷夾具，由於熱絕緣體17具備多孔質構造，故而能夠提高SiC功率晶片13和金屬錘16之間的隔熱效果。
[0095]另外，根據本實施例的隔熱負荷夾具，熱絕緣體17在SiC功率晶片13或金屬錘16的至少一方的接觸面上具備粗糙面構造，故而能夠提高SiC功率晶片13和金屬錘16之間的隔熱效果。
[0096]進而，根據本實施例的隔熱負荷夾具，由於將金屬錘16設為在SiC功率晶片13的焊料接合面上至少產生0.lg/cm2以上的壓力的質量，故而能夠有效地減少空隙。
[0097]進而，根據本實施例的隔熱負荷夾具，將金屬錘16設為在SiC功率晶片13的焊料接合面上產生0.3g/cm2以上的壓力的質量，因此，能夠進一步有效地減少空隙。
[0098][第二實施例]
[0099]接著，對本發明的第二實施例進行說明。第二實施例是與上述第一實施例的隔熱負荷夾具11的改進相關的發明，故而只進行與隔熱負荷夾具相關的說明，其它部分的說明省略。
[0100][隔熱負荷夾具的構成]
[0101]圖7表示第二實施例的隔熱負荷夾具31的主要部分截面。對與圖2相同的構成要素標註與圖2相同的標記，故而為了避免冗長，省略說明。標記39為錘支承板，37為棒狀的熱絕緣體，36為金屬錘。
[0102]著眼於與第一實施例的不同點進行詳細說明，熱絕緣體37比第一實施例長，與SiC功率晶片13相接的面的前端縮小成圓錐狀。該熱絕緣體37從錘支承板39的開口部向上部突出，且插入設於金屬錘36底部的孔，向SiC功率晶片13傳遞負荷，同時起到隔絕SiC功率晶片13和金屬錘36之間的熱交換的作用。
[0103]另外，為了使隔熱負荷夾具31的拆裝容易，優選熱絕緣體37固定於金屬錘36的構成。固定熱絕緣體37的方法容易。例如，只要使小螺紋孔貫通於金屬錘36的下部側面，並利用固定螺絲將熱絕緣體37固定住即可。在本實施例中，這樣將熱絕緣體37和金屬錘36 一體化並作為熱絕緣體負荷70使用。由此，能夠提高安裝操作性。
[0104]錘支承板39為熱容量較小的材料(石墨或氧化鋁等)，具備確定金屬錘36的設置位置的功能和在接合處理中將金屬錘36的姿勢保持垂直的功能。因此，在規定的位置設有僅使熱絕緣體37通過的錘貫通孔和固定連結柱20a、20b..?的插入孔。為了提高安裝操作性，優選錘支承板39和連結柱20a、20b...的連結固定，晶片對準板18和連結柱20a、20b..?的連結拆裝自如，或者相反的構成。為了便於說明，以下，在本實施例中對錘支承板39和連結柱20a、20b...成為一體的情況進行說明。
[0105]由以上構造的說明可知，在本實施例中，熱絕緣體37細長且與SiC功率晶片13相接的面被加工成圓錐狀，因此，與第一實施例的熱絕緣體17相比，隔熱性更優異。因此，對於作為第二現有技術的問題的「功率半導體裝置由於焊料接合工序而受到熱損傷，常發生不良情況或可靠性劣化，因此不能實際實用」之類的問題，能夠起到更高的解決效果。
[0106][隔熱負荷夾具的設置方法]
[0107]接著，參照圖8說明高溫焊料接合隔熱負荷夾具31的設置方法。
[0108]與實施例1同樣地，在除去汙染物後(S301)，在基座5上設置SiN基板12(S302)，使晶片對準板18 —邊對準一邊設置在SiN基板12上(S303)，然後使AuGe共晶焊料片材14和SiC功率晶片13依次落在設於晶片對準板18的開口部上(S304)。
[0109]接著，在步驟S305中，使固定有連結柱20a、20b...的錘支承板39 —邊對準一邊設置在晶片對準板18上。而且，在步驟S306中，如果使將熱絕緣體37和金屬錘36的一體化的熱絕緣體負荷70插入錘支承板39的錘貫通孔，則如圖7所示，結束隔熱負荷夾具31的附設。
[0110]然後，如果按照實施例1中說明的那樣進行回流工序，則結束本發明的SiC半導體裝置的製造方法，並基於本發明完成SiC半導體裝置。
[0111]此外，在上述的方法中，說明了由設置錘支承板39，然後設置金屬錘36的兩個工序構成的作業，但如果在作業前組裝向錘支承板39插入金屬錘36的組件，則可以由一個工序結束將錘支承板39和金屬錘36設置於晶片對準板18的作業。另外，卸下的作業也一樣。
[0112]這樣，根據本發明的第二實施例，與第一實施例相比，能夠發揮在製造工序中容易拆裝隔熱負荷夾具的優異效果。
[0113][第三實施例]
[0114]在第一實施例和第二實施例的隔熱負荷夾具中，由於成為重量較重的金屬負荷在重量較輕的晶片對準板或錘支承板、連結柱上突出的構成，故而重心變高，在金屬錘的重量較重的情況下或在一個SiN基板上安裝多個金屬錘的情況下，必須細心注意，不使隔熱負荷夾具或SiN基板12顛倒。該性質在大量生產時，在成為基座5按照傳送帶那樣移動的方式的量產裝置或利用機器人設置隔熱負荷夾具的量產裝置中，作為不能提高傳送帶的速度或機器人的臂的速度的難點而顯現。
[0115]因此，在第三實施例中，以解決第一實施例和第二實施例的與這種隔熱負荷夾具相關的問題而提聞生廣力為目的而完成。
[0116]圖9表不基於第三實施例的隔熱負荷夾具41的主要部分截面。本實施例作為改進第二實施例(圖7)的隔熱負荷夾具31而使重心穩定化的情況進行說明，但同樣也能夠適用於第一實施例的隔熱負荷夾具U。對與圖7相同的構成要素標註與圖7相同的標記，且為了避免冗長，省略說明。
[0117]在圖9中，標記42為設置於基座5上的重心穩定化框架，為「無底框」那樣的形狀。重心穩定化框架42在內壁以微小的間隙與SiN基板12和錘支承板39內接，或與晶片對準板18和錘支承板39內接，或與SiN基板12和晶片對準板18和錘支承板39內接。在圖9中，作為單純的框架進行記載，但若形成為截面向外周成L形那樣的結構，則可得到更穩定化的效果。
[0118][隔熱負荷夾具的設置方法]
[0119]參照圖10說明本實施例的隔熱負荷夾具的設置方法。
[0120]如圖10所示，首先，與實施例1同樣地除去汙染物(S401)，在基座5上設置SiN基板12後(S402)，使晶片對準板18 —邊對準一邊設置在SiN基板12上(S403)。而且，使AuGe共晶焊料片材14和SiC功率晶片13依次落在設於晶片對準板18的晶片貫通口上(S404)。
[0121]接著，在步驟S405中，在晶片對準板18和SiN基板12的外周設置重心穩定化框架42。
[0122]接著，在步驟S406中，固定連結柱20a、20b..?，且使在將安裝有熱絕緣體37的金屬錘36 (熱絕緣體負荷)插入貫通孔的狀態下組裝的錘支承板39輕輕地落在重心穩定化框架42的內部時，如圖9所示，隔熱負荷夾具的附設結束。顯然，也可以先安裝錘支承板39，然後安裝帶熱絕緣體37的金屬錘36。
[0123]然後，若按照實施例1中說明地那樣進行回流工序，則結束本發明的SiC半導體裝置的製造方法，並基於本發明完成SiC半導體裝置。
[0124]如上所述，在實施例3中，具備實施例1及實施例2的所有構成，因此，能夠完全發揮實施例1及實施例2中得到的效果。另外，由於形成為在隔熱負荷夾具41中具備重心穩定化框架42的構成，故而能夠降低隔熱負荷夾具41顛倒的危險，即使在成為基座5按照傳送帶那樣移動的方式的量產裝置或利用機器人設置隔熱負荷夾具的量產裝置中，也能夠提高傳送帶的速度或機器人的臂的速度，並能夠提高生產力。
[0125][第四實施例]
[0126]在第一實施例?第三實施例中，說明了由於進行了簡化，故而接合一個SiC功率晶片的情況。但是，上述各實施例不限於接合一個功率晶片，顯然在接合多個晶片的情況下也能夠適用。為了證明該情況，在第四實施例中對在多個晶片的接合中應用第三實施例的情況進行了說明，並且為了提高生產力，對隔熱負荷夾具實施了改進。除了隔熱負荷夾具的構成和隔熱負荷夾具的設置方法以外，與上述實施例相同，因此，省略說明。
[0127]圖11是第四實施例的隔熱負荷夾具45的主要部分剖面圖，是在SiN基板12和SiC功率晶片13上安裝有隔熱負荷夾具45的狀態的組裝圖。與第一?第三實施例相同的標記的構成物是與各個實施例相同的部件，為了避免冗長而省略說明。
[0128]在圖11中，標記46為晶片對準板。與第一?第三實施例的晶片對準板18的重要的不同點在於，設置功率晶片的晶片貫通口的上部形成以向上方擴展的方式傾斜的錐形形狀(滑梯)。通過該錐形形狀，AuGe焊料或SiC功率晶片沿錐形滑落，並自動地配置在準確的位置。即，該錐形形狀產生如下效果，能夠大幅度緩和設置AuGe焊料或SiC功率晶片時要求的必要位置精度，提高晶片設置的生產力。
[0129]另外，標記47為錘支承板。基本功能與第一?第三實施例的錘支承板39相同，但在使熱絕緣體37 (或金屬錘36)通過的錘貫通口具備開口部鞘48的方面不同。該開口部鞘48具有防止熱絕緣體37或金屬錘36傾倒，而將姿勢保持成接近垂直的狀態的功能。如圖11所示，在具有多個金屬錘36的情況下，即使稍微逐個地傾倒，當傾倒的方向一致時，也產生較大的力矩，隔熱負荷夾具45有可能顛倒。因此，通過在錘貫通口設置開口部鞘48，能夠大幅度降低隔熱負荷夾具45顛倒的危險。
[0130]另外，標記49為第一連結柱，50為第二連結柱。第一連結柱49是固定於錘支承板47，且與晶片對準板46的表面接觸的構成。第一連結柱49的目的在於支承錘支承板47，因此，至少具備三個以上，優選具備四個以上。
[0131]另一方面，第二連結柱50固定在晶片對準板46上，且以一定間隙容易地插入貫通於錘支承板47的規定部分的開口部。第二連結柱50的功能在於精確且迅速地進行錘支承板47相對於晶片對準板46的對準。當第二連結柱50的數量變多時(由於插入嵌合的部位變多)，對準所需要的作業時間變長，因此，第二連結柱50優選為兩個以上的儘可能較少的數量。
[0132]此外，在本實施例中，將連結柱分離成第一連結柱和第二連結柱，但也可以利用如第一實施例?第三實施例中說明的那樣未分離的連結柱構成。
[0133][隔熱負荷夾具的設置方法]
[0134]接著，說明實施例4的隔熱負荷夾具的設置方法。此外，本實施例的流程圖與圖10所示的第三實施例的流程圖相同，故而省略。
[0135]首先，除去汙染物，在基座5 (圖中省略)上放置SiN基板12，使安裝有第二連結柱50的晶片對準板46 —邊對準一邊設置在SiN基板12上。然後，以開口部的數量使AuGe共晶焊料片材14和SiC功率晶片13依次落在設置於在晶片對準板46上設置的晶片貫通口上。
[0136]接著，在晶片對準板46和SiN基板12的外周設置重心穩定化框架42。
[0137]接著，安裝第一連結柱49，當使多個熱絕緣體37 (帶金屬錘36的)插入貫通孔的狀態的錘支承板47組件輕輕地落在重心穩定化框架42的內部時，結束隔熱負荷夾具的附設。
[0138]然後，如實施例1中說明地，若進行回流工序，則本發明的SiC半導體裝置的製造方法結束，且本發明的SiC半導體裝置完成。
[0139]如以上詳細地說明，根據本實施例的隔熱負荷夾具，能夠接合多個SiC功率晶片並可提聞生廣力。
[0140]另外，根據本實施例的隔熱負荷夾具，在晶片對準板46的晶片貫通口具備以向上方擴展的方式傾斜的錐形構造，故而能夠大幅度緩和設置AuGe焊料或SiC功率晶片時要求的必要位置精度，提高晶片設置的生產性。
[0141]另外，根據本實施例的隔熱負荷夾具，在錘支承板47的錘貫通口附設具有與錘貫通口相同截面的鞘構造，因此，能夠大幅度降低隔熱負荷夾具45顛倒的危險。
[0142][第五實施例]
[0143]在上述的第一實施例?第四實施例的隔熱負荷夾具中，形成在晶片對準板上經由連結柱設置錘支承板的構成，但也可以不使用連結柱而構成隔熱負荷夾具。在第五實施例中，提供這種構成的隔熱負荷夾具。
[0144]圖12是第五實施例的隔熱負荷夾具60的主要部分剖面圖。與上述實施例相同標記的構成物是與各個實施例相同的部件，為了避免冗長而省略說明。
[0145]在圖12中，標記61為錘支承板，62為重心穩定化框架。
[0146]錘支承板61的功能或材料與上述實施例的錘支承板39完全相同，但支承錘支承板61的不是連結柱,而是重心穩定化框架62。另外,錘支承板61相對於SiN基板12的位置對齊也利用重心穩定化框架62進行。
[0147][隔熱負荷夾具的設置方法]
[0148]接著，參照圖13說明實施例5的隔熱負荷夾具的設置方法。
[0149]如圖13所示，首先，除去汙染物(S501)，在基座5上放置SiN基板12(S502)，使晶片對準板18 —邊對準一邊設置在SiN基板12上(S503)。然後，使AuGe共晶焊料片材14和SiC功率晶片13依次落在設置於在晶片對準板18上設置的晶片貫通口上(S504)。目前為止的工序與實施例1?4完全相同。
[0150]接著，在步驟S505中，在晶片對準板18和SiN基板12的外緣設置重心穩定化框架62。接著，在步驟S506中，使錘支承板61輕輕地落在設置於重心穩定化框架62的凹部。而且，在步驟S507中，當將固定有熱絕緣體37的金屬錘36插入錘支承板61時，如圖12所示，隔熱負荷夾具60的附設結束。
[0151]然後，如果按照實施例1中說明的那樣進行回流工序，則本發明的SiC半導體裝置的製造方法結束，且本發明的SiC半導體裝置完成。
[0152]由上述說明可知，在實施例5的隔熱負荷夾具中，具備與第三實施例完全相同的功能，故而能夠完全發揮在第三實施例中得到的效果。另外，本實施例形成為沒有連結柱的構成，故而與第一實施例?第四實施例相比，可得到能夠以低廉的價格製作隔熱負荷夾具的特有的效果。另外，如果預先在重心穩定化框架62組裝安裝有錘支承板61和金屬錘36 (與熱絕緣體37 —體)的組件，則能夠將重心穩定化框架62、錘支承板61和金屬錘36 (與熱絕緣體37 —體)在一個工序中安裝及卸下，可得到可進一步提高生產力的效果。
[0153]以上，基於圖示的實施方式說明了本發明，但本發明不限於此，各部的構成能夠置換成具有相同功能的任意構成的部件。
[0154]本申請基於2012年4月27日提出申請的日本特許願第2012 — 102954號主張優先權，通過參照將其申請內容引用於本發明的說明書中。
[0155]產業上的可利用性
[0156]根據本發明一方式的半導體裝置的製造方法、隔熱負荷夾具及隔熱負荷夾具的設置方法，從半導體裝置的上部經由熱絕緣體施加負荷，故而將半導體裝置和負荷之間隔熱，能夠進行迅速升溫、焊料的短時間熔解和迅速降溫。由此，能夠減少空隙並能夠避免過度的溫度上升和長時間的加熱處理，而實際上消除半導體裝置的熱損傷。其結果，能夠以較高的成品率實現由空隙較少的高溫焊料接合的高可靠功率半導體裝置。因此，本發明一方式的半導體裝置的製造方法、隔熱負荷夾具及隔熱負荷夾具的設置方法可以在產業上利用。
【權利要求】
1.一種半導體裝置的製造方法，其特徵在於，在電路基板和半導體晶片之間夾著在所述半導體晶片的耐熱溫度?100°c以下的範圍內具有熔點或固相線溫度的焊料材料，在從所述半導體晶片的上部經由熱絕緣體施加負荷的狀態下，使所述焊料材料熔解並固化，由此，將所述電路基板和所述半導體晶片接合。
2.一種隔熱負荷夾具，其在將電路基板和半導體晶片接合時施加負荷，其特徵在於，具備: 熱絕緣體，其在所述電路基板和所述半導體晶片之間夾著在所述半導體晶片的耐熱溫度?100°C以下的範圍內具有熔點或固相線溫度的焊料材料，並且設置在夾著所述焊料材料的狀態的所述半導體晶片的上部； 金屬負荷，其設置在所述熱絕緣體的上部，在使所述焊料材料熔解並固化的期間對所述半導體晶片施加負荷。
3.一種隔熱負荷夾具，其在將電路基板和半導體晶片接合時施加負荷，其特徵在於，具備: 晶片對準板，其具備相對於所述電路基板對準的對準功能，具有用於在所述電路基板的規定位置配置焊料片材和所述半導體晶片的晶片貫通口； 錘支承板，其配置在從所述晶片對準板向上方離開規定距離的位置，具備相對於所述晶片對準板或所述電路基板對準的對準功能，在與所述晶片貫通口的位置對應的位置具有錘貫通口 ； 熱絕緣體負荷，其貫通所述錘貫通口而設置在所述半導體晶片上，將與所述半導體晶片相接配置的熱絕緣體和在所述熱絕緣體上部配置的金屬負荷一體化。
4.如權利要求3所述的隔熱負荷夾具，其特徵在於，還具備連結柱，其拆裝自如地連結在所述晶片對準板和所述錘支承板之間。
5.如權利要求4所述的隔熱負荷夾具，其特徵在於，所述連結柱固定在所述晶片對準板或所述錘支承板。
6.如權利要求4或5所述的隔熱負荷夾具，其特徵在於，還具備重心穩定化框架，其配置在所述錘支承板、所述電路基板和所述晶片對準板的外緣，內壁與所述錘支承板、所述電路基板和所述晶片對準板的至少一個內接。
7.如權利要求3所述的隔熱負荷夾具，其特徵在於，還具備重心穩定化框架，其在所述晶片對準板上方的規定位置支承所述錘支承板，配置在所述電路基板和所述晶片對準板的外緣，內壁與所述電路基板或所述晶片對準板的至少一個內接。
8.如權利要求2?7中任一項所述的隔熱負荷夾具，其特徵在於，所述熱絕緣體在從所述半導體晶片通向所述金屬負荷的導熱路徑中，在至少一處具備細芯構造。
9.如權利要求2?8中任一項所述的隔熱負荷夾具，其特徵在於，所述熱絕緣體具備多孔質構造。
10.如權利要求2?9中任一項所述的隔熱負荷夾具，其特徵在於，所述熱絕緣體在所述半導體晶片或所述金屬負荷的至少一方的接觸面具備粗糙面構造。
11.如權利要求2?10中任一項所述的隔熱負荷夾具，其特徵在於，所述金屬負荷為在所述半導體晶片的焊料接合面上至少產生0.lg/cm2以上的壓力的質量。
12.如權利要求11所述的隔熱負荷夾具，其特徵在於，所述金屬負荷為在所述半導體晶片的焊料接合面上產生0.3g/cm2以上的壓力的質量。
13.如權利要求3?12中任一項所述的隔熱負荷夾具，其特徵在於，所述晶片對準板的晶片貫通口具備以向上方擴展的方式傾斜的錐形構造。
14.如權利要求3?13中任一項所述的隔熱負荷夾具，其特徵在於，在所述錘支承板的錘貫通口附設有具有與所述錘貫通口相同截面的鞘構造。
15.一種隔熱負荷夾具的設置方法，其特徵在於， 在升溫加熱體基座上載置電路基板， 對準所述電路基板而在所述電路基板上載置晶片對準板， 在形成於所述晶片對準板的晶片貫通口依次載置焊料片材和半導體晶片， 在所述半導體晶片上配置熱絕緣體， 在所述晶片對準板上方的規定位置設置錘支承板， 經由在與所述晶片貫通口對應的位置形成的所述錘支承板的錘貫通口在所述熱絕緣體上附設金屬負荷。
16.如權利要求15所述的隔熱負荷夾具的設置方法，其特徵在於，在設置所述錘支承板時，利用連結柱設置所述錘支承板。
17.如權利要求15或16所述的隔熱負荷夾具的設置方法，其特徵在於，還在所述電路基板及所述晶片對準板的外緣設置重心穩定化框架。
18.如權利要求15所述的隔熱負荷夾具的設置方法，其特徵在於， 還在所述電路基板及所述晶片對準板的外緣設置重心穩定化框架， 在設置所述錘支承板時，在所述重心穩定化框架上設置所述錘支承板。
19.一種隔熱負荷夾具，在將電路基板和半導體晶片接合時施加負荷，其特徵在於，具備: 熱絕緣裝置，其在所述電路基板和所述半導體晶片之間夾著在所述半導體晶片的耐熱溫度?100°c以下的範圍內具有熔點或固相線溫度的焊料材料，並且設置在夾持所述焊料材料的狀態的所述半導體晶片的上部； 金屬負荷裝置，其設置在所述熱絕緣裝置的上部，在使所述焊料材料熔解並固化的期間對所述半導體晶片施加負荷。
20.一種隔熱負荷夾具，其在將電路基板和半導體晶片接合時施加負荷，其特徵在於，具備: 晶片對準裝置，其具備相對於所述電路基板對準的對準功能，具有用於在所述電路基板的規定位置配置焊料片材和所述半導體晶片的晶片貫通口； 錘支承裝置，其配置在從所述晶片對準裝置向上方離開規定距離的位置，具備相對於所述晶片對準裝置或所述電路基板對準的對準功能，在與所述晶片貫通口的位置對應的位置具有錘貫通口； 熱絕緣負荷裝置，其貫通所述錘貫通口而設置在所述半導體晶片上，將與所述半導體晶片相接配置的熱絕緣裝置和在所述熱絕緣裝置上部配置的金屬負荷裝置一體化。
【文檔編號】H05K13/04GK104254909SQ201380021910
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2013年4月24日 優先權日:2012年4月27日
【發明者】谷本智, 圖子佑輔, 村上善則, 松井康平, 佐藤伸二, 福島悠 申請人:日產自動車株式會社, 三墾電氣株式會社