JP2005116621A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱応力を低減することを課題とする。
【解決手段】 低熱膨張性金属１１の表面に軟質性金属層を積層してなる配線電極上に、半導体素子１３を電気的に接合してなる半導体装置において、軟質性金属層は、それぞれ独立して島状に分割されたバンプ１３で構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、低熱膨張性金属の表面に軟質性金属を積層してなる配線電極上に、半導体素子を電気的に接合してなる半導体装置に関する。

パワー半導体素子を配線電極材に接合して構成されるパワー半導体装置において、低熱膨張の半導体素子と配線電極材の熱膨張差に起因する熱応力を低減又は緩和する目的で、半導体素子の熱膨張率に近い低熱膨張性金属を軟質性金属で挟んだクラッド材を配線電極材に使用する技術としては、例えば以下に示す文献に記載されものが知られている（特許文献１参照）。

この文献に記載された技術では、例えば図１５の断面図に示すように、半導体素子１５１と同程度の低熱膨張率を有する低熱膨張性金属１５２の両面に例えば銅等の熱良導体の軟質性金属１５３を積層形成して配線電極材を構成し、はんだ等の接合材１５４を介して軟質性金属１５３上に半導体素子１５１を電気的に接合している。

上記文献では、低熱膨張性金属と熱良導体となる軟質性金属のクラッド材のバランスについて言及されているが、明細書でも述べられている通り、低熱膨張性金属と熱良導体は熱膨張率と熱伝導率が相反し互いにトレードオフの関係にある。このため、熱膨張差による熱応力を低減する目的で半導体素子に近い低熱膨張性金属を用いても、低熱膨張性金属をクラッドする熱良導体によりクラッド材自体の熱膨張率は大きくなることが示されている。にもかかわらず、良好な応力緩和が可能であるのは、表面の熱良導体として用いている軟質性金属である銅が軟かく、塑性変形しやすという軟質性金属の応力を緩和する効果に起因するものである。

このため、軟質性金属を低熱膨張性金属の表面に形成することにより、熱応力が緩和されて、放熱性は良好となっていた。

一方、低熱膨張性金属は電気抵抗が高いことが一般的であるため、電気配線材としては不適である。しかし、電気良導体は一般的に熱良導体でもあるため、低熱膨張性金属の表面に熱良導体で、かつ軟質性金属の銅を形成したクラッド材は電気抵抗が小さく電気配線材としても好適である。
特開平６−３３４０７３号公報

以上説明したように、半導体素子の熱膨張率に近い低熱膨張性金属を軟質性金属で挟んだクラッド材を配線電極材に使用した従来の半導体装置においては、軟質性金属を低熱膨張性金属の表面に形成することにより熱応力が緩和されるものの、軟質性金属を用いることで熱膨張率が大きくなるため、配線電極材と半導体素子との熱膨張差が大きくなる。これにより、熱応力が増加して悪影響を与えるという不具合を招いていた。
特に、使用温度の高いパワー半導体装置の場合には、パワー半導体素子に加わる温度変化の幅が広いため、熱膨張率の差が熱応力の増大をもたらすため、熱膨張率の差を低減することが切望されていた。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、熱応力を低減した半導体装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、低熱膨張性金属の第一主面上に軟質性金属層を積層してなる配線電極の第一主面に、第一半導体素子の第一主面に設けられた第一電極を電気的に接合してなる半導体装置において、前記軟質性金属層は、それぞれ独立して島状に分割されたバンプからなることを特徴とする。

本発明によれば、低熱膨張性金属上に島状に分割されて積層された軟質性金属からなるバンプに半導体装置を電気的に接合するようにしたので、分割されたバンプにより熱膨張量が分割、分散することができる。また、バンプに対して低熱膨張性金属の体積占有率が大きくなり、熱膨張に対して低熱膨張性金属の影響を支配的にすることができる。この結果、半導体素子と配線電極との間の熱膨張差は小さくなり、半導体素子に加わる熱応力を低減させることができる。

以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。

図１は本発明の実施例１に係る半導体装置の構成を示す斜視図であり、図２は図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図１ならびに図２に示す実施例１の半導体装置は、低熱膨張性金属１１上にバンプ１２を介して半導体素子１３が載置され、接合材１４により半導体素子１３と低熱膨張性金属１１ならびにバンプ１２が電気的に接合されている。

低熱膨張性金属１１は、半導体素子１３の配線電極材となり、熱膨張率が極めて小さい半導体素子１３と同程度の熱膨張率を有し、例えばインバー（商品名、鉄、ニッケルを含む合金）やコバール（商品名、鉄、ニッケル、コバルトからなる合金で、硬質ガラスと同程度の膨張係数を有する）やタングステン、モリブデン及びこれらを含む複合材料等で形成される。

バンプ１２は、低ヤング率で塑性変形が容易、かつ低電気抵抗の軟質性金属の例えば銅やアルミなどで形成されている。バンプ１２は、層状の軟質性金属にスリットを入れることで層状の軟質性金属が島状に多数に分割されて構成されている。

半導体素子１３は、例えば比較的大きな電力を取り扱うパワー半導体素子で構成され、極めて低い熱膨張率を有している。半導体素子１３は、接合材１４を介して島状の多数のバンプ１２と電気的に接合されている。

接合材１４は、半導体素子１３とバンプ１２ならびに低熱膨張性金属１１とを電気的に接合するものであり、例えば半田やロウ材や導電性接着剤などで構成される。

上記各構成部材の厚さは、半導体素子１３が数十μｍ〜数百μｍ程度、接合材１４が十μｍ〜百μｍ程度、低熱膨張性金属１１が数百μｍ〜数ｍｍ程度の範囲で形成される。このため、軟質性金属のバンプ１２が、半導体素子１３に加わる応力を緩和する効果を十分期待するためには、接合材１４と同程度以上の厚みが必要と考えられる。さらに、バンプ１２の熱膨張を抑制する観点から、バンプ１２の厚みは配線電極材となる低熱膨張性金属１１の厚みの１／１０程度までが好ましいと考えられる。したがって、これらのことを考慮して、バンプ１２の厚さは、数十μｍ〜数百μｍ程度の間で適宜選択されるものとする。

なお、半導体素子１３に対向する低熱膨張性金属１１の裏面にもバンプ１２を形成して両面の応力バランスがとれるようにしてもよい。

次に、図３の製造工程断面図を参照して、図１ならびに図２に示す装置の製造方法を説明する。

先ず、低熱膨張性金属１１と、この低熱膨張性金属１１に積層された軟質性金属層１５とによるクラッド材に対して（図３（ａ））、表面の軟質性金属層１５を選択的に残すために、軟質性金属層１５上にレジスト材を塗布し、フォトリソグラフィー工程により塗布したレジスタ材をパターニングしてレジストパターン１６を形成する（図３（ｂ））。

次に、レジストパターン１６をマスクにして、軟質性金属層１５を選択的にエッチングする。これにより、軟質性金属層１５を島状に多数に分割してバンプ１２を形成する（図３（ｃ））。

ここで、軟質性金属層１５を例えば銅で構成した場合には、軟質性金属層１５をエッチングするエッチング液としては、例えば硫酸と過酸化水素との混合水溶液や、過硫酸水素アンモニウム溶液を用いればよい。

この時に、低熱膨張性金属１１として例えばコバールなどの耐食性の低い金属を使用する場合は、予めコバールの表面にニッケルや銀などの被覆層を薄く形成したものを使用すればよい。このように、耐食性の低い低熱膨張性金属１１の表面を被覆することで、軟質性金属層１５の銅が上記エッチング液によりエッチングされても、低熱膨張性金属１１の表面に形成された被覆層はエッチングされないので、軟質性金属層１５の銅だけを選択的にエッチングして除去することが可能となる。

なお、選択性エッチング技術を用いることによって、エッチングの深さを軟質性金属層１５の厚さに一定にそろえることが容易となる。これにより、製造ばらつきを抑えることができ、安価で大量に製造することができる。また、選択性エッチング技術を用いることによって、機械加工のような急峻な加工段差やバリが発生しないため、応力が集中する角部がバンプ１２に形成されることはなく、配線電極材の製造方法として好適である。

最後に、レジスト１６を除去した後、半田やロウ材の接合材１４により半導体素子１３を低熱膨張性金属１１ならびにバンプ１２に電気的に接合し、図１ならびに図２に示す半導体装置が完成する（図３（ｄ））。

以上説明したように、上記実施例１においては、低熱膨張性金属１１の表面に軟質性金属からなる多数のバンプ１２を形成し、このバンプ１２上に半導体素子１３を載置して両者を電気的に接合する構造としたので、熱による軟質性金属の塑性変形による応力緩和の効果を得ることができる。さらに、熱膨張の大きい軟質性金属は、分割によって熱膨張量も分割、分散されるため、全体的に熱膨張が小さく抑えられ、かつ軟質性金属が（電極裏面も含めて）部分的に削除されて相対的に低熱膨張性金属１１の体積占有率が高くなることによって、低熱膨張性金属１１の影響が支配的となる。これにより、装置全体の熱膨張を小さくすることができ、低熱膨張性金属１１ならびにバンプ１２からなる配線電極材と半導体素子１３との間の熱膨張差が小さくなり、熱応力を低減することができる（請求項１、３に記載の発明の効果に相当する）。

図４は本発明の実施例２に係る半導体装置の構成を示す斜視図であり、図５は図４のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。図４ならびに図５に示す実施例２の特徴とするところは、先に説明した実施例１に比べて、配線電極材となる低熱膨張性金属１１を長方形状とし、低熱膨張性金属１１の一方の端部側の表面に先の実施例１と同様にバンプ１２を介して低熱膨張性金属１１上に半導体素子１３を接合し、他方の半導体素子１３が接合されていない、配線電極の引き出し部分となる低熱膨張性金属１１の表面には、低電気抵抗の金属層である、例えば銅で構成された先の実施例１と同様の軟質性金属層２１ａを積層形成し、かつ軟質性金属層２１ａと対向する低熱膨張性金属１１の裏面に軟質性金属層２１ａと同様の軟質性金属層２１ｂを積層形成したことにあり、他は先の実施例１と同様である。なお、両面の応力バランスを考慮して半導体素子１３に対向する低熱膨張性金属１１の裏面にもバンプ１２を形成するようにしてもよい。

次に、図６の製造工程断面図を参照して、図４ならびに図５に示す装置の製造方法を説明する。

先ず、低熱膨張性金属１１と、この低熱膨張性金属１１に積層された軟質性金属層２２とによるクラッド材に対して、低熱膨張性金属１１の表面ならびに裏面に積層された軟質性金属層２２を選択的に残すために、軟質性金属層２２上にレジスト材を塗布し、フォトリソグラフィー工程により塗布したレジスト材をパターニングしてレジストパターン２３を形成する（図６（ａ））。

次に、レジストパターン２３をマスクにして、軟質性金属層２２を選択的にエッチングする。これにより、低熱膨張性金属１１の表面に、軟質性金属層２２を島状に多数に分割してバンプ１２を形成し、軟質性金属層２１ａを形成し、かつ低熱膨張性金属１１の裏面に軟質性金属層２１ｂを形成する（図６（ｂ））。

なお、上記選択性エッチングにおいて、エッチング液ならびに低熱膨張性金属１１のエッチング液に対する耐腐食性については、先の実施例１と同様である。

最後に、レジスト２３を除去した後、半田やロウ材の接合材１４により半導体素子１３を低熱膨張性金属１１ならびにバンプ１２に電気的に接合し、図４ならびに図５に示す半導体装置が完成する（図６（ｃ））。

このような実施例２においては、低熱膨張性金属１１における配線電極の引き出し部分の表面ならびに裏面に、低電気抵抗の軟質性金属層２１ａ、２１ｂを積層形成するようにしたので、先の実施例１で得られる効果に加えて、低熱膨張性金属１１の配線電極の電気抵抗を低減することができる。また、上記選択性エッチング技術を用いることで、一つの低熱膨張性金属１１にバンプ１２と軟質性金属層２１ａ、２１ｂを容易に一体で形成することが可能となる（請求項２、３に記載の発明の効果に相当する）。

図７は本発明の実施例３に係る半導体装置の構成を示す斜視図であり、図８は図７のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。この実施例３の特徴とするところは、先の実施例２に比べて、低熱膨張性金属１１の一方の端部側の表面ならびに裏面の両面に、それぞれ半導体素子１３ａ、１３ｂを接合し、ハーフブリッジ構造のインバータ（Ｕ）を構成したことにある。

図７ならびに図８において、半導体素子１３ａ、１３ｂはそれぞれ表面ならびに裏面に電極を備えている。半導体素子１３ａの裏面の電極は、先の実施例２と同様にして低熱膨張性金属１１の表面に電気的に接合される一方、半導体素子１３ａ表面の電極は、裏面の電極が低熱膨張性金属１１と接合されるのと同様にして、低熱膨張性金属１１と同様の低熱膨張性金属で構成されて低電位が印加される上部電極（Ｎ）３１と電気的に接合されている。半導体素子１３ｂの表面の電極は、半導体素子１３ａの裏面の電極が低熱膨張性金属１１の表面に接合されるのと同様にして低熱膨張性金属１１の裏面に電気的に接合される一方、半導体素子１３ｂ裏面の電極は、表面の電極が低熱膨張性金属１１と接合されるのと同様にして、低熱膨張性金属１１と同様の低熱膨張性金属で構成されて高電位が印加される下部電極（Ｐ）３２と電気的に接合されている。

低熱膨張性金属１１の半導体素子１３ａ、１３ｂが接合されていない部分は、低熱膨張性金属１１に接合された半導体素子１３ａ、１３ｂに対して引き出し電極構造の交流出力電極３３として機能し、この交流出力電極３３の表面ならびに裏面の両面に、先の実施例２と同様の低電気抵抗の軟質性金属層２１ａ、２１ｂが積層形成されている。

また、上部電極３１の上面、下部電極３２の下面、ならびに交流出力電極３３を除いて、半導体素子１３ａ、１３ｂが低熱膨張性金属１１に接合された部分は、ケース材３４により封止されている。

上記実施例３においては、先の実施例１ならびに実施例２の構成を拡張することで、ハーフブリッジ構造のインバータを構成するようにしたので、ハーフブリッジ構造のインバータにおいて、先の実施例１ならびに実施例２で得られる効果と同様の効果を得ることができる（請求項４に記載の発明の効果に相当する）。

図９は本発明の実施例４に係る半導体装置の構成を示す斜視図であり、図１０は図９のＤ−Ｄ線に沿った断面図である。この実施例４の特徴とするところは、先の実施例３で説明したハーフブリッジ構造のインバータを３つ（３つに限らず複数個でもよい）使用して、多相インバータもしくは大容量のインバータを構成したことにある。

図９ならびに図１０において、各インバータ（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の半導体素子１３ａｕ、１３ａｖ、１３ａｗに対応した上部電極３１ｕ、３１ｖ、３１ｗを低電位が印加される外部電極４１に電気的に接続することで共通接続され、また各インバータ（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の半導体素子１３ｂｕ、１３ｂｖ、１３ｂｗに対応した下部電極３２ｕ、３２ｖ、３２ｗを高電位が印加される外部電極４２に電気的に接続することで共通接続されて構成されている。各インバータ（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の交流出力電極３３ｕ、３３ｖ、３３ｗは、それぞれ独立することで多相インバータが容易に構成でき、または、交流出力電極３３ｕ、３３ｖ、３３ｗを共通接続することで大容量のインバータを容易に構成することができる。

上記実施例４においては、先の実施例３の構成を拡張することで、多相もしくは大容量のインバータを構成するようにしたので、多相インバータもしくはハーフブリッジ構造の大容量インバータにおいて、先の実施例１ならびに実施例２で得られる効果と同様の効果を得ることができる。

また、ハーフブリッジ構造のインバータを大量生産し、容量に応じてインバータの数を変更することによって、容量の異なるインバータ・モジュールを安価に構成することができるという効果がある（請求項６に記載の発明の効果に相当する）。

図１１は本発明の実施例５に係る半導体装置の構成を示す斜視図であり、図１２は図１１のＥ−Ｅ線に沿った断面図である。この実施例５の特徴とするところは、先の実施例３に比べて、図７ならびに図８に示す上部電極３１ならびに下部電極３２を交流出力電極３３側に延伸して引き出し電極構造の上部電極５１ならびに下部電極５２を形成し、上部電極５１の引き出し部分の表面ならびに裏面の両面に、先の実施例２で説明した軟質性金属層２１ａ、２１ｂと同様の軟質性金属層５３ａ、５３ｂを積層形成し、下部電極５２の引き出し部分の表面ならびに裏面の両面に、先の実施例２で説明した軟質性金属層２１ａ、２１ｂと同様の軟質性金属層５４ａ、５４ｂを積層形成したことにある。

上記実施例５においては、先の実施例３で得られる効果に加えて、上部電極５１ならびに下部電極５２に低電気抵抗の軟質性金属層５３ａ、５３ｂ、５４ａ、５４ｂを積層形成した引き出し電極構造しているので、上部電極５１ならびに下部電極５２を低抵抗化して外部の電極と容易に接続することが可能となる（請求項４，５に記載の発明の効果に相当する）。

図１３は本発明の実施例６に係る半導体装置の構成を示す斜視図であり、図１４は図１３のＦ−Ｆ線に沿った断面図である。この実施例６の特徴とするところは、先の実施例４に比べて、図９ならびに図１０に示す上部電極３１ｕ、３１ｖ、３１ｗを一体化して上部電極６１とし、図９ならびに図１０に示す下部電極３２ｕ、３２ｖ、３２ｗを一体化して下部電極６２とし、上部電極６１と下部電極６２のそれぞれの表面ならびに裏面の半導体素子１３ａｕ、１３ｂｕ、１３ａｖ、１３ｂｖ、１３ａｗ、１３ｂｗが接合されていない部分に、先の実施例２で説明した軟質性金属層２１ａ、２１ｂと同様の低電気抵抗の軟質性金属層６３を積層形成したことにある。

上記実施例６においては、先の実施例４で得られる効果に加えて、各インバータ（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の上部電極６１ならびに下部電極を共通化し、かつ低電気抵抗の軟質性金属層６３を積層したので、各インバータ（Ｕ、Ｖ、Ｗ）間を低抵抗で容易に接続することが可能となる（請求項６、７に記載の発明の効果に相当する）。

本発明の実施例１に係る半導体装置の構成を示す斜視図である。 本発明の実施例１に係る半導体装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施例１に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例２に係る半導体装置の構成を示す斜視図である。 本発明の実施例２に係る半導体装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施例２に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例３に係る半導体装置の構成を示す斜視図である。 本発明の実施例３に係る半導体装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施例４に係る半導体装置の構成を示す斜視図である。 本発明の実施例４に係る半導体装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施例５に係る半導体装置の構成を示す斜視図である。 本発明の実施例５に係る半導体装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施例６に係る半導体装置の構成を示す斜視図である。 本発明の実施例６に係る半導体装置の構成を示す断面図である。 従来の半導体装置の構成を示す断面図である。

符号の説明

１１…低熱膨張性金属
１２…バンプ
１３、１３ａ，１３ｂ，１３ａｕ，１３ｂｕ，１３ａｖ，１３ｂｖ，１３ａｗ，１３ｂｗ…半導体素子
１４…接合材
１５，２１ａ，２１ｂ，２２，５３ａ，５３ｂ、５４ａ，５４ｂ，６３…軟質性金属層
１６，２３…レジストパターン
３１，３１ｕ，３１ｖ，３１ｗ，５１，６１…上部電極
３２，３２ｕ，３２ｖ，３２ｗ，５２，６２…下部電極
３３，３３ｕ，３３ｖ，３３ｗ…交流出力電極
３４…ケース材
４１，４２…外部電極

Claims (7)

1. 低熱膨張性金属の第一主面上に軟質性金属層を積層してなる配線電極の第一主面に、第一半導体素子の第一主面に設けられた第一電極を電気的に接合してなる半導体装置において、
   前記軟質性金属層は、それぞれ独立して島状に分割されたバンプからなる
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 前記配線電極の第一主面であって、前記第一半導体素子の第一主面に設けられた第一電極が接合されていない部分である引き出し電極部分の第一主面、ならびに前記引き出し電極部分の第一主面に対向する前記配線電極の引き出し電極部分の第二主面には、低電気抵抗の金属層が積層形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記配線電極の第一主面の前記半導体素子が接合されている部分に対向する前記配線電極の第二主面には、前記バンプが形成されている
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置。
4. 低熱膨張性金属の第一主面ならびに第二主面上に軟質性金属層を積層してなる配線電極の第一主面に、第一半導体素子の第一主面に設けられた第一電極を電気的に接合し、前記配線電極の第二主面に、第二半導体素子の第一主面に設けられた第一電極を電気的に接合してなる半導体装置において、
   前記軟質性金属層は、それぞれ独立して島状に分割されたバンプからなり、
   低電位が印加される第一配線電極と、
   高電位が印加される第二配線電極とを有し、
   前記第一半導体素子の第二主面に設けられた第二電極と前記第一配線電極の第一主面とが電気的に接続され、
   前記第二半導体素子の第二主面に設けられた第二電極と前記第二配線電極の第一主面とが電気的に接続され、
   前記配線電極の第一主面であって、前記第一半導体素子の第一主面に設けられた第一電極が接合されていない部分である引き出し電極部分の第一主面、ならびに前記引き出し電極部分の第一主面に対向する前記配線電極の引き出し電極部分の第二主面には、低電気抵抗の金属層が積層形成されている
   ことを特徴とする半導体装置。
5. 前記第一半導体素子の第二主面に設けられた第二電極が接合されていない部分の前記第一配線電極の引き出し電極部分の第一主面、ならびに前記第一配線電極の引き出し電極部分の第一主面に対向する前記第一配線電極の引き出し電極部分の第二主面と、
   前記第二半導体装置の第二主面に設けられた第二電極が接合されていない部分の前記第二配線電極の引き出し電極部分の第一主面、ならびに前記第二配線電極の引き出し電極部分の第一主面に対向する前記第二配線電極の引き出し電極部分の第二主面には、低電気抵抗の金属層が積層形成されている
   ことを特徴とする請求項４記載の半導体装置。
6. 前記請求項４記載の半導体装置を複数備え、
   前記複数の請求項４記載の半導体装置の前記第一配線電極が共通接続され、
   前記複数の請求項４記載の半導体装置の前記第二配線電極が共通接続され、
   前記複数の請求項４記載の半導体装置の前記低熱膨張性金属のそれぞれは、出力配線電極として機能する
   ことを特徴とする半導体装置。
7. 前記複数の請求項４記載の半導体装置の前記第一配線電極は共通化され、
   前記複数の請求項４記載の半導体装置の前記第二配線電極は共通化され、
   共通化された前記第一配線電極ならびに前記第二配線電極には、低電気抵抗の金属層が積層形成されている
   ことを特徴とする請求項６記載の半導体装置。

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