JP2007048889A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ヒートスプレッダをはんだで半導体チップに固着した半導体装置において、ゲートライナーを被覆しているポリイミド膜の端部上の角部からはんだ内へのクラックの発生を防止した半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体基板1上に酸化膜2を形成し、ポリシリコンで形成したIGBTのゲート電極と接続するポリシリコンゲート配線3を酸化膜2上に形成し、さらに絶縁膜4および開口部5を形成し、開口部5を介してゲートライナー6、7とポリシリコンゲート配線3を接続し、IGBTのエミッタ領域と複数のエミッタ電極9を接続する。ゲートライナー6、7上をポリシリコン膜10、11で被覆し、エミッタ電極9で挟まれた箇所のゲートライナー6上のポリイミド膜10の端部上の角部を丸め、冷熱繰り返し環境における当該箇所への応力を低減することで、ヒートスプレッダ12とエミッタ電極9を固着するはんだ13にクラックが発生することを防止する。
【選択図】図3

Description

この発明は、半導体チップの温度低減のために、半導体チップの上面にはんだ接合されたヒートスプレッダを有する半導体装置に関する。
近年、電力変換装置の小型化・高密度化が進んできている。電力変換装置の小型化・高密度化に対しては、パッケージ内部の配線、パッケージ構造、放熱方法などを改良する必要がある。特にパワーデバイスであるIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の半導体チップでは、大電流化、小型化にともない、高電流密度で使用されることが多くなってきている。
ここで問題となるのが高電流密度化にともなう発熱密度の増加である。例えば、従来では定格50Aで使用していた半導体チップに、半導体チップの高性能化にともなって50A以上の電流、例えば75Aの電流を流すという使われ方が多くなってきている。
半導体チップの定格電流により、必要とされるチップ面積があるが、例えば10mm□の半導体チップを1枚のウェハから取り出すことができる半導体チップの個数が100個であった場合、チップ面積が30%小さなもの(約8.4mm□)では、同じウェハから取り出すことのできる半導体チップの個数は約142個となり、1ウェハ当たりの半導体チップの取れ数が多くなる。このように、より小さな半導体チップで、より多くの電流を流すことができれば、1ウェハ当たりの半導体チップの取れ数が増加し、コスト低減につながる。
また、半導体チップの小型化は、これらの半導体チップを複数個組み合わせて構成されるモジュールの半導体パッケージのサイズを小さくできるメリットもある。これらのことから、同じ定格電流でも、より小さなチップが使用される傾向が強く、結果として高発熱密度化が進んできている現状がある。
IGBT等のパワーデバイスでは、動作温度の上限を125℃としている場合が多い。しかし、半導体チップの小型化や高電流密度化に伴って発熱密度が増加し、従来のアルミワイヤによる配線では半導体チップの温度上昇を抑えることが困難となっている。
これは、アルミワイヤが例えばφ300μmやφ400μmといった細線であり、チップで発生した熱を移動することが出来ないばかりか、アルミワイヤ自身がジュール発熱により発熱し、場合によっては溶断してしまうからである。
片面冷却の半導体パッケージでは、半導体チップから発生した熱は半導体チップの下面からしか放熱が出来ない。半導体パッケージ内には、絶縁保護のためにシリコーン系の封止樹脂が充填されており、半導体チップの上面はこの封止樹脂で覆われている。シリコーン系封止樹脂の熱伝導率は0.1W/mK〜0.2W/mK程度であり、この構成では半導体チップ上面からの放熱は期待できない。
これに対して、半導体チップ上面から効率的に熱を逃がす方法がある。これは半導体チップ上面に熱拡散部材である金属製のヒートスプレッダを熱伝導性樹脂あるいははんだにより固着し、熱を半導体チップの上面からも放散し、最も高温となる半導体チップ中央部の熱を周辺に拡散することで最高温度を下げる方法が報告されている(例えば、特許文献1)。
図7は、ヒートスプレッダを有するIGBTモジュールの要部断面図である。このIGBTモジュールの構成について説明する。コレクタ端子72、エミッタ端子73およびゲート端子74などの導電パターンを表面に形成し、裏面に裏面金属膜75を形成したセラミックス基板71のコレクタ端子72にはんだ76を介してIGBTチップ200の裏面の図示しないコレクタ電極を固着し、IGBTチップ200の表面の図示しないエミッタ電極をはんだ63を介してヒートスプレッダ62に固着する。このヒートスプレッダ62とエミッタ端子73をボンディングワイヤ77で接続する。またIGBTチップ200の表面の図示しないゲートパッドとゲート端子74をボンデッィングワイヤ77で接続する。裏面金属膜75に図示しない冷却体をはんだを介して固着する。これらを図示しないPPS(ポリ・フェニレン・サルファイド)又はPBT(ポリ・ブチレン・テレフタレート)などの樹脂ケース内に収納し、さらにその中に素子保護としてシリコーン樹脂を充填してIGBTモジュールは完成する。
IGBTチップの面積が大きい場合、ゲート信号を均一に行き渡らせるために、ゲートライナーでエミッタ電極を複数に分割する。このエミッタ電極が分割されたIGBTチップについて説明する。n半導体基板の一方の主面に形成され、ゲートライナーで分割された複数の1層目のエミッタ電極を2層目のエミッタ電極でゲートライナーを架橋して1層目のエミッタ電極と接続する構造にして、分割された複数の1層目のエミッタ電極を一体化する。こうすることで、コンタクト端子体(ヒートスプレッド機能あり)で2層目のエミッタ電極面を片加圧した場合でもIGBTチップ全面で均一な動作をさせることができて、IGBTチップが破壊するのを防止できることが報告されている(例えば、特許文献2)。
特開2000−307058号公報 特開2004−221269号公報
IGBTチップとヒートスプレッダをはんだ接合する場合、熱伝導性樹脂による接合に比べ、はんだの体積固有抵抗が低いために電気的損失およびジュール熱による熱的損失が低い。しかし、IGBTチップの熱膨張係数に比べて銅などの高熱伝導材からなるヒートスプレッダの熱膨張係数が大きく、温度サイクルやヒートサイクルなどの冷熱繰り返し環境において、この熱膨張係数の差によりはんだに繰り返し応力が働き、はんだ内にクラックが生じてしまう。
図8、図9は、ヒートスプレッダをはんだ接合したIGBTチップの冷熱繰り返し環境でのヒートスプレッダの伸縮挙動を示す図であり、図8は高温時の模式図、図9は低温時の模式図である。これらの図は図7のB部を示す。図8の高温時では、図7のIGBTチップ200を構成する半導体基板51に比べヒートスプレッダ62の熱膨張係数の方が大きいため、ヒートスプレッダ62によりはんだ63に左右に引っ張られる応力が加わる。図9の低温時では、逆にヒートスプレッダ62によりはんだ63が中心方向に圧縮される応力が加わる。
IGBTモジュールの信頼性試験においては、高温側は125℃、低温側は−40℃の温度条件にて、数百サイクルの繰り返し試験(温度サイクル試験)が実施されている。この繰り返し応力によりはんだ63が熱疲労を起こして劣化し、最も応力が大きいゲートライナーを被覆するポリイミド膜の端部上の角部からクラックが発生する。
IGBTチップ200を構成するシリコン基板(半導体基板51)の熱膨張係数は約3×10-6/℃であり、ヒートスプレッダ62を構成する銅の熱膨張係数は1.65×10-5/℃である。これらの熱膨張係数の違いにより、半導体基板51とヒートスプレッダ62を固着するはんだに応力が加わる。
この応力によりはんだ63内にクラックが発生し、そのクラックが進展した場合、はんだ63内での電流経路が狭まり、はんだ部の電気抵抗が増加する。このクラックが大きくなると導通不良に発展する場合も生じる。
図10は、大きな面積のIGBTチップのポリイミド膜を被覆する前の要部平面図である。電流容量が大きいIGBTチップ200では、チップ面積も大きくなり、大きな面積のエミッタ電極の周囲を取り囲むゲートライナーだけではIGBTチップ内でのゲート信号が均等に伝達されない。そのために、エミッタ電極59をゲートライナーで分割し、その分割されたエミッタ電極59の間に配置されたゲートライナー56により、IGBTチップ200内でゲート信号が均等に伝達されるようにしている。
図11は、図10のIGBTチップにポリイミド膜を被覆した後の要部平面図である。層間絶縁膜であるポリイミド膜60、61でエミッタ電極59に挟まれた箇所(中央部)とエミッタ電極59の外周部が被覆されており、エミッタ電極59の端部近傍も被覆されている。この被覆の方法は図示しないが、全面に半硬化状のポリイミド膜を被覆し、その上にレジストマスクを形成する。このレジストマスクを用いて、ウェットエッチングでポリイミド膜をエッチングして不必要なポリイミド膜を除去する。その後、加熱処理して半硬化状のポリイミド膜を硬化させてポリイミド膜60、61が出来上がる。ポリイミド膜60はエミッタ電極59に挟まれた箇所(中央部)に被覆されたもので、ポリイミド膜61はエミッタ電極59の外周部を被覆したものである。
図12は、大きな面積のIGBTチップのエミッタ電極上にはんだを介してヒートスプレッダを固着した場合の構成図であり、同図(a)は要部平面図、同図(b)は同図(a)のX−X線で切断した要部断面図である。
図12において、ヒートスプレッダ62はゲートライナー56を跨いで配置されている。ゲートライナー56の上部には、絶縁保護のために層間絶縁膜であるポリイミド膜60が被覆している。尚、図中の51は半導体基板、52は酸化膜、53はポリシリコンゲート配線、54はBPSG(ボロン・りんガラス)などの層間絶縁膜、55はコンタクトホール、57は外周部に形成されたゲートライナー、58はゲートパッド、59はエミッタ電極、60は中央部のポリイミド膜、61は外周部のポリイミド膜、63ははんだ、70はクラックである。
図13は、ポリイミド膜の形状を示した図であり、同図(a)はポリイミド膜の表面と側面が直角に交わっている場合の図、同図(b)はポリイミド膜の表面と側面げ鈍角で交わっている場合の図である。
前記したように、ポリイミド膜60、61はレジストマスクでウェットエッチングされるために、その端部上の角部は直角または鈍角になっている。
図14は、図13(b)のポリイミド膜60の角部の拡大図である。図14で示すように、ポリイミド膜60の端部上の角部を拡大すると曲率半径が1μm未満の微小円弧でポリイミド膜60の表面と側面が連続して繋がっている。尚、図13(a)の場合も同様に曲率半径が1μm未満の微小円弧でポリイミド膜60の表面と側面が連続して繋がっている。
前述した冷熱繰り返し試験により、このようにポリイミド膜60の端部上の角部の曲率半径が1μm未満と微小円弧の場合には、この箇所からはんだ63の内部にクラック70が発生する。
この発明の目的は、前記の課題を解決して、ゲートライナーを被覆している層間絶縁膜の端部上の角部からはんだ内へのクラックの発生を防止した半導体装置を提供することにある。
前記の目的を達成するために、半導体基板の第1主面に形成された複数の第1主電極と、前記第1主面に形成されたゲート電極パッドと、前記第1主面であって、少なくとも前記第1主電極に挟まれた箇所に形成され、前記ゲート電極パッドと接続されたゲートライナーと、該ゲートライナーを被覆する層間絶縁膜と、前記複数の第1主電極間を前記ゲートライナーをまたぐように配置され、前記複数の第1主電極にはんだ接合されたヒートスプレッダとを有する半導体装置において、前記層間絶縁膜の角部が面取りされてなる構成とする。
また、半導体基板の第1主面に形成された複数の第1主電極と、前記第1主面に形成されたゲート電極パッドと、前記第1主面であって、少なくとも前記第1主電極に挟まれた箇所に形成され、前記ゲート電極パッドと接続されたゲートライナーと、該ゲートライナーを被覆する層間絶縁膜と、前記複数の第1主電極間を前記ゲートライナーをまたぐように配置され、前記複数の第1主電極にはんだ接合されたヒートスプレッダとを有する半導体装置において、前記層間絶縁膜がさらに樹脂で被覆され、該樹脂の角部が面取りされてなる構成する。
また、前記面取りは、角部を所定の曲率半径で丸めたものであるとよい。
また、前記面取りは角部を1μm以上切り欠いたものであるとよい。
また、前記樹脂に導電性粒子が混在しているとよい。
また、前記導電性粒子は、銀,ニッケル,金,パラジウム,ならびにこれらの金属合金、もしくはカーボンのうち少なくとも1種であるとよい。
また、前記樹脂は、紫外線もしくは可視光線で硬化する光硬化性樹脂、あるいは熱硬化性樹脂であるとよい。
この発明によれば、ゲートライナーを被覆している層間絶縁膜であるポリイミド膜の端部上の角部を面取りしたことで、応力が集中が分散され角部を起点としてはんだ内へのクラック発生を防止することができる。
また、層間絶縁膜であるポリイミド膜の端部上の角部の曲率半径を1μm未満の場合、ポリイミド膜の表面を樹脂で被覆し、この樹脂の端部上の角部を面取りしたことで、角部を起点としてはんだ内へのクラック発生を防止することができる。
また、この樹脂の中に導電性物質22を混在させることで、樹脂の熱伝導を良好にし、はんだ13と樹脂21を導電性物質を介して強固に固着させることができる。
はんだ内のクラック発生を防止することで、高信頼性のヒートスプレッダを有する半導体装置を供給することができる。
実施の形態を以下の実施例にて説明する。
図1は、この発明の第1実施例の半導体装置であり、ポリイミド膜を被覆する前のIGBTチップの要部平面図である。電流容量が大きいIGBTチップ100では、エミッタ電極9をゲートライナー6で分割して、その分割されたエミッタ電極9の間にゲートライナー6を配置して、IGBTチップ100内でゲート信号が均等に伝達されるようにしている。ゲートライナー7はエミッタ電極9の外周部に形成されゲートライナー6と接続している。また、ゲートライナー7はゲートパッド8と接続する。
図2は、図1のIGBTチップに層間絶縁膜としてポリイミド膜を被覆した後の要部平面図である。ポリイミド膜10、11でエミッタ電極9に挟まれた箇所(中央部)とエミッタ電極9の外周部を被覆し、エミッタ電極9の端部近傍も被覆する。
図3は、この発明の第1実施例の半導体装置で、ヒートスプレッダを配置したときの要部構成図であり、同図(a)は要部平面図、同図(b)は同図(a)のX−X線で切断した要部断面図、同図(c)は同図(b)のA部拡大図である。
半導体基板1上に酸化膜2(ゲート酸化膜も含む)を形成し、ポリシリコンで形成したIGBTの図示しないゲート電極と接続するポリシリコンゲート配線3をこの酸化膜2上に形成し、ポリシリコンゲート配線3上にBPSG膜などの絶縁膜4を形成する。この絶縁膜4に開口部5を形成し、この開口部5を介して、ゲートライナー6、7およびゲートパッド8とポリシリコンゲート配線3を接続する。また図示しない開口部を介して図示しないIGBTのエミッタ領域と複数のエミッタ電極9を接続する。ゲートライナー6、7は、例えば、厚み(高さ)が5μm程度で幅が30μm〜35μm程度のAlで形成される。ゲートライナー6、7上を厚さ6μm程度のポリイミド膜10、11で被覆する。ゲートライナー6、7とポリイミド膜10、11を合わせた高さは11μm程度となる。エミッタ電極9で挟まれた箇所において、ゲートライナー6上のポリイミド膜10の端部上の角部を面取りする。面取りは角部を直線的に切り欠いたもの、角部を多面状に切り欠いたもの、図3(c)の如くR形状に角部を丸めたものなどが適用できる。角部を直線的に切り欠くことにより鈍角の角部が2つとなって、1つの角部に集中していた応力が分散される。さらに多面状に切り欠けば鈍角の角部が多数となり応力は縒り分散される。また、特に、R形状に角部を丸めることで応力は偏ることなく均一に分散するのでクラックの発生を防止させるのに最も効果的である。なおこれらの面取りの形状は凹型治具16の形状によって決めることができる。
このポリイミド膜10の角部を面取りする方法について角部を丸める方法を例に説明する。全面に半硬化状のポリイミド膜を被覆し、その上にレジストマスクを形成する。このレジストマスクを用いて、ウェットエッチングでポリイミド膜をエッチングして不必要なポリイミド膜を除去する。半硬化状のポリイミド膜に図4に示す凹型治具16を上から押し当て、半硬化状のポリイミド膜の端部上の角部を丸める。その後、加熱処理して半硬化状のポリイミド膜を硬化させて端部上の角部が丸められた中央部のポリイミド膜10と外周部のポリイミド膜11となる。このポリイミド膜10の端部上の角部の曲率半径Rを1μm以上にする。このポリイミド膜10、11は加熱することで硬化する熱硬化型のポリイミド膜である。
エミッタ電極9上にエミッタ電極9で挟まれた箇所のゲートライナー6を跨いでヒートスプレッダ12を配置し、エミッタ電極9とヒートスプレッダ12をはんだ13(Sn−3.5Agはんだなど)で固着する。ヒートスプレッダ12は高導電材であることは勿論のこと高熱伝導材であるとよい。例えば、銅,モリブデン,タングステンあるいはこれらの金属の合金などが材料として好適である。
図3(c)に示すように、硬化後のポリイミド膜10の端部上の角部(表面と側面が交わる箇所:曲率部)の曲率半径(以下、Rと称す)を1μm以上とする。
このように、ゲートライナー6を被覆しているポリイミド膜10の端部上の角部を1μm以上のRに丸めることで、冷熱繰り返し環境におけるこの箇所への応力を低減することができて、はんだ13内へのクラックの発生を防止することができる。
図3(c)で示すRを確保する方法としては、前記したように、凹型治具16を用いる方法や、図示しないが硬化後のポリイミド膜10の端部上の角部を機械的に研削して面取りする方法がある。
つぎに、従来のように、硬化後のポリイミド膜の端部上の角部のRが1μm未満と小さい場合でもはんだ内にクラックが発生しないようにできる方法について説明する。尚、このRはポリイミド膜をレジストマスク用いてウェットエッチングしたときに自然に形成されるRであり、そのRは0.01μm〜0.1μmのオーダである。
図5は、この発明の第2実施例の半導体装置の要部断面図である。第1実施例との違いは、ゲートライナー6上にを被覆しているポリイミド膜10a上を樹脂21でさらに被覆して、この樹脂21の端部上の角部のRを1μm以上とする。Rを1μm以上とすることで、はんだ13内にクラックが発生することを防止することができる。
この樹脂21の角部にRを付ける方法は、Rが1μm未満のポリイミド膜10aの表面に液状の樹脂をディスペンサーにて適量塗布することで、ポリイミド膜10aの角部を被覆する液状の樹脂に表面張力により丸みがつく。その後、紫外線又は可視光線又は加熱によって液状の樹脂を硬化させて角部のRが1μm以上の樹脂21とする。所定のRとするには、液状の樹脂の粘度を調整して行うとよい。その後、ヒートスプレッダ12をエミッタ電極9にはんだ13を介して固着する。樹脂21としては、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂およびウレタン樹脂などが好適である。角部の面取り形状としてR形状以外のものも適用可能であるのは実施例1と同様である。
図6は、この発明の第3実施例の半導体装置の要部断面図である。この図は図5に相当する要部断面図である。
第2実施例との違いは、図5の樹脂21の中に、銀,ニッケル,金,カーボン,パラジウムなどの導電性物質22を混在させた点である。これらの導電性物質22を混在させることで、樹脂21のみの場合より導電性と熱伝導性を高めることができる。また、樹脂21の中に銀,ニッケル,金,パラジウムなどの金属を混在させることで、はんだ13の冷却過程において樹脂21の表面に露出した状態の導電性物質22と合金層を形成し、はんだ13と樹脂21は導電性物質を介して強固に固着されヒートスプレッダの接合信頼性が向上する。
さらに、樹脂21のなかに導電性物質として銀、ニッケル,金、カーボン,パラジウムなどの熱伝導性の高い粒子を混在させることで、樹脂21のみの場合より熱伝導性を高めることができる。
この場合もはんだ13と接する樹脂21の端部上の角部のRを1μm以上とすることで、はんだ13にクラックが発生することを防止することができる。
尚、前記の第1実施例〜第3実施例では半導体装置として、IGBTを例に挙げて説明したが、MOSFETやMOSサイリスタなど他のスイッチングデバイスの場合にもこの発明が適用できることは勿論である。
この発明の第1実施例の半導体装置であり、ポリイミド膜を被覆する前のIGBTチップの要部平面図 図1のIGBTチップにポリイミド膜を被覆した後の要部平面図 この発明の第1実施例の半導体装置で、ヒートスプレッダを配置したときの要部構成図であり、(a)は要部平面図、(b)は(a)のX−X線で切断した要部断面図、(c)は(b)のA部拡大図 ポリイミド膜の角部を丸めるための凹型治具の要部斜視図 この発明の第2実施例の半導体装置の要部断面図 この発明の第3実施例の半導体装置の要部断面図 ヒートスプレッダを有するIGBTモジュールの要部断面図 ヒートスプレッダをはんだ接合したIGBTチップの高温時の図 ヒートスプレッダをはんだ接合したIGBTチップの低温時の図 大きな面積のIGBTチップのポリイミド膜を被覆する前の要部平面図 図10のIGBTチップにポリイミド膜を被覆した後の要部平面図 大きな面積のIGBTチップ上にはんだを介してヒートスプレッダを接合した場合の構成図であり、(a)は要部平面図、(b)は(a)のX−X線で切断した要部断面図 ポリイミド膜の形状を示した図であり、(a)はポリイミド膜の表面と側面が直角に交わっている場合の図、(b)はポリイミド膜の表面と側面げ鈍角で交わっている場合の図 図13(b)のポリイミド膜の角部の拡大図
符号の説明
1 半導体基板
2 酸化膜
3 ポリシリコンゲート配線
4 層間絶縁膜
5 コンタクトホール
6 ゲートライナー(中央部)
7 ゲートライナー(外周部)
8 ゲートパッド
9 エミッタ電極
10、10a ポリイミド膜(中央部)
11 ポリイミド膜(外周部)
12 ヒートスプレッダ
13 はんだ
16 凹型治具
21 樹脂
22 導電性物質
100 IGBTチップ

Claims (7)

  1. 半導体基板の第1主面に形成された複数の第1主電極と、
    前記第1主面に形成されたゲート電極パッドと、
    前記第1主面であって、少なくとも前記第1主電極に挟まれた箇所に形成され、前記ゲート電極パッドと接続されたゲートライナーと、
    該ゲートライナーを被覆する層間絶縁膜と、
    前記複数の第1主電極間を前記ゲートライナーをまたぐように配置され、前記複数の第1主電極にはんだ接合されたヒートスプレッダとを有する半導体装置において、
    前記層間絶縁膜の角部が面取りされてなることを特徴とする半導体装置。
  2. 半導体基板の第1主面に形成された複数の第1主電極と、
    前記第1主面に形成されたゲート電極パッドと、
    前記第1主面であって、少なくとも前記第1主電極に挟まれた箇所に形成され、前記ゲート電極パッドと接続されたゲートライナーと、
    該ゲートライナーを被覆する層間絶縁膜と、
    前記複数の第1主電極間を前記ゲートライナーをまたぐように配置され、前記複数の第1主電極にはんだ接合されたヒートスプレッダとを有する半導体装置において、
    前記層間絶縁膜がさらに樹脂で被覆され、該樹脂の角部が面取りされてなることを特徴とする半導体装置。
  3. 前記面取りは、角部を所定の曲率半径で丸めたものであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体装置。
  4. 前記面取りは角部を1μm以上切り欠いたものであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体装置。
  5. 前記樹脂に導電性粒子が混在していることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
  6. 前記導電性粒子は、銀,ニッケル,金,パラジウム,ならびにこれらの金属合金、もしくはカーボンのうち少なくとも1種であることを特徴とする請求項5に記載の半導体装置。
  7. 前記樹脂は、紫外線もしくは可視光線で硬化する光硬化性樹脂、あるいは熱硬化性樹脂であることを特徴とする請求項2に記載する半導体装置。
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