JP2012009736A - 半導体素子、半導体素子の製造方法および半導体装置 - Google Patents

半導体素子、半導体素子の製造方法および半導体装置 Download PDF

Info

Publication number
JP2012009736A
JP2012009736A JP2010146105A JP2010146105A JP2012009736A JP 2012009736 A JP2012009736 A JP 2012009736A JP 2010146105 A JP2010146105 A JP 2010146105A JP 2010146105 A JP2010146105 A JP 2010146105A JP 2012009736 A JP2012009736 A JP 2012009736A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
semiconductor element
circuit board
semiconductor
face
solder
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2010146105A
Other languages
English (en)
Inventor
Tsuneo Hamaguchi
恒夫 濱口
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Priority to JP2010146105A priority Critical patent/JP2012009736A/ja
Publication of JP2012009736A publication Critical patent/JP2012009736A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/26Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/31Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L24/32Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/02Bonding areas; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/04Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process
    • H01L2224/05Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process of an individual bonding area
    • H01L2224/0554External layer
    • H01L2224/0555Shape
    • H01L2224/05552Shape in top view
    • H01L2224/05554Shape in top view being square
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/31Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/32Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/321Disposition
    • H01L2224/32151Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/32221Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32225Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/4805Shape
    • H01L2224/4809Loop shape
    • H01L2224/48091Arched
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/481Disposition
    • H01L2224/48151Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/48221Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/48225Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • H01L2224/48227Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation connecting the wire to a bond pad of the item
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/484Connecting portions
    • H01L2224/48463Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a ball bond
    • H01L2224/48465Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a ball bond the other connecting portion not on the bonding area being a wedge bond, i.e. ball-to-wedge, regular stitch
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/49Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of a plurality of wire connectors
    • H01L2224/491Disposition
    • H01L2224/4912Layout
    • H01L2224/49175Parallel arrangements
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/73Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
    • H01L2224/732Location after the connecting process
    • H01L2224/73251Location after the connecting process on different surfaces
    • H01L2224/73265Layer and wire connectors
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/91Methods for connecting semiconductor or solid state bodies including different methods provided for in two or more of groups H01L2224/80 - H01L2224/90
    • H01L2224/92Specific sequence of method steps
    • H01L2224/922Connecting different surfaces of the semiconductor or solid-state body with connectors of different types
    • H01L2224/9222Sequential connecting processes
    • H01L2224/92242Sequential connecting processes the first connecting process involving a layer connector
    • H01L2224/92247Sequential connecting processes the first connecting process involving a layer connector the second connecting process involving a wire connector
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/1015Shape
    • H01L2924/10155Shape being other than a cuboid
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/1015Shape
    • H01L2924/10155Shape being other than a cuboid
    • H01L2924/10158Shape being other than a cuboid at the passive surface
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/102Material of the semiconductor or solid state bodies
    • H01L2924/1025Semiconducting materials
    • H01L2924/10251Elemental semiconductors, i.e. Group IV
    • H01L2924/10253Silicon [Si]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11Device type
    • H01L2924/13Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
    • H01L2924/1304Transistor
    • H01L2924/1305Bipolar Junction Transistor [BJT]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11Device type
    • H01L2924/13Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
    • H01L2924/1304Transistor
    • H01L2924/1305Bipolar Junction Transistor [BJT]
    • H01L2924/13055Insulated gate bipolar transistor [IGBT]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11Device type
    • H01L2924/13Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
    • H01L2924/1304Transistor
    • H01L2924/1306Field-effect transistor [FET]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11Device type
    • H01L2924/13Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
    • H01L2924/1304Transistor
    • H01L2924/1306Field-effect transistor [FET]
    • H01L2924/13091Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor [MOSFET]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/30Technical effects
    • H01L2924/35Mechanical effects
    • H01L2924/351Thermal stress

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Die Bonding (AREA)

Abstract

【課題】熱応力に対して回路基板とのはんだ接合の接合信頼性が高い半導体素子を得ることを目的とする。
【解決手段】板状をなし、厚み方向において対向する面1fr、1ftのうち、一方1ftに能動面が形成され、他方1frに回路基板2にはんだ接合するための接合面が形成された半導体素子1であって、半導体素子1の端面1fsのうち、対向する少なくともひと組の端面の能動面1ft側には、能動面1ftの延在方向において当該端面から外側に張出すように形成された張出し部1bがそれぞれ設けられ、回路基板2とのはんだ接合用の金属膜1pが、接合面1frを含み張出し部1bの接合面1fr側の部分1pbまでそれぞれ延長するように形成されているように構成した。
【選択図】図1

Description

本発明は、上面に能動素子面を形成し、下面を回路基板上にはんだ接合する半導体素子の構造および半導体素子の製造方法および半導体素子を用いた半導体装置に関するものである。
半導体素子からの放熱性を向上させるため、半導体素子の下面全体を回路基板に接合する半導体装置がよく用いられる。具体的には、回路基板上のランド上に予め形成したはんだ層と半導体素子の下面に形成した金属膜のパッドを付き合わせた上で加熱することで、伝熱に優れたはんだ接合構造を形成し、半導体素子の上面に設けた電極とワイヤにて回路基板上の電極とを電気的に接続する。
一方、半導体素子の性能向上にともない、より高温動作が可能な半導体装置を実現する要求が高まってきた。例えば、鉄道車両、ハイブリッドカー、電気自動車等の車両、家電機器、産業用機械等において、比較的大きな電力を制御、整流するために利用される電力用半導体装置では、100A/cmを超える高い電流密度で通電することが求められる。そこで、シリコン(Si)に代わる半導体材料としてワイドバンドギャップ半導体材料である炭化珪素(SiC)が注目されている。SiCからなる半導体素子は500A/cmを超える電流密度での動作が可能であり、150℃〜300℃の高温状態でも安定動作が可能である。しかし、このような高性能の半導体素子を動作させると動作時と静止時の温度差が大きくなる。
回路基板と半導体素子とは熱膨張率が異なるので、温度差が大きくなると、半導体素子と回路基板を接合しているはんだ中に熱応力が発生することになる。熱応力はせん断応力として半導体素子とはんだ界面に作用し、界面クラックを引き起こすことが懸念される。とくに、半導体素子と回路基板では、回路基板の方が大きな熱膨張率を有するので、回路基板を平坦に拘束していないと、冷却時に半導体素子を凸状に押し出すように変形する。温度差が大きくなり、変形が大きくなると、半導体素子を回路基板から押しのける力が大きくなり、半導体素子と回路基板とのはんだ層との界面で剥離が生じるおそれがある。
半導体素子と回路基板の熱応力を小さくする方法として、半導体素子の熱膨張率に近い熱膨張率を有する回路基板の材料を選択する方法が考えられるが、コストアップ要因になる問題があり現実的ではない。回路基板材料の変更を伴わない対策として、下面全体を回路基板と接合する構造ではないが、半導体素子の端面に傾斜部を設け、傾斜部から下面にかけてはんだ接合用の金属膜からなるパッドを形成し、回路基板の実装面方向に沿った応力を2方向に分散させ、半導体素子とはんだとのせん断応力を緩和させる半導体チップ構造が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
特開2009−141092号公報(段落0017〜0022、図1〜図3)
しかしながら、上記のように傾斜部によってせん断応力を分散させようとすると、半導体素子を回路基板面から引き離す方向の力が生じるため、下面全体を接合する構造に傾斜部を適用しても、逆に剥離を誘発するおそれがあった。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、熱応力に対して回路基板とのはんだ接合の接合信頼性が高い半導体素子を得ることを目的としている。
本発明の半導体素子は、板状をなし、厚み方向において対向する面のうち、一方に能動面が形成され、他方に回路基板にはんだ接合するための接合面が形成された半導体素子であって、前記半導体素子の端面のうち、対向する少なくともひと組の端面の前記能動面側には、前記能動面の延在方向において当該端面から外側に張出すように形成された張出し部がそれぞれ設けられ、前記回路基板とのはんだ接合用の金属膜が、前記接合面を含み前記張出し部の前記接合面側の部分までそれぞれ延長するように形成されている、ことを特徴とする。
本発明の半導体素子によれば、はんだとの接合界面を端面よりも外側まで拡大させることになり、端面からはみ出すはんだの面積を、端面の上面側でも大きく保つことができ、はんだに生じる応力を緩和することができるので、熱応力に対して回路基板とのはんだ接合の接合信頼性が高い半導体素子および半導体装置を得ることができる。
本発明の実施の形態1にかかる半導体素子の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態1にかかる半導体素子を備えた半導体装置の構成を説明するための半導体装置の部分を示す外観図である。 本発明の実施の形態1にかかる半導体素子を備えた半導体装置の構成を説明するための半導体装置の部分を示す断面図である。 本発明の実施の形態1にかかる半導体素子を備えた半導体装置の構成を説明するための平面模式図である。 本発明の実施の形態1にかかる半導体素子の熱応力に対する耐性を説明するための図である。 本発明の実施の形態1にかかる半導体素子を製造する方法を説明するための部分断面図である。 本発明の実施の形態1にかかる半導体素子の変形例の構成を説明するための図である。
実施の形態1.
図1〜図6は、本発明の実施の形態1にかかる半導体素子および当該半導体素子を用いた半導体装置を説明するためのもので、図1は半導体素子単独の構成を示すもので、図1(a)は外観斜視図、図1(b)は図1(a)の視点Vfからみた側面図、図1(c)は図1(b)のC−C線による断面を示す断面図である。図2は半導体素子を回路基板に実装した状態を説明するための半導体装置の一部分を示す外観斜視図、図3は図2のB−B線による断面を示す断面図、図4は半導体素子と半導体素子を接合するためのランドの大きさの関係を説明するための平面模式図である。図5は本実施の形態1にかかる半導体素子の効果を説明するためのもので図5(a)は本実施の形態の半導体素子の応力に対する耐性を説明するための、図5(b)は従来の半導体素子の応力に対する耐性を説明するための図である。また、図6は、本実施の形態1にかかる半導体素子の製造方法を説明するためのもので、図6(a)〜図6(d)は各工程における部分断面図である。
はじめに、図1を用いて本実施の形態1にかかる半導体素子の構成について説明する。
図において、半導体素子1は矩形の薄板状をなし、能動素子面を形成する上面1ft側(表面)には、複数の電極1eが形成されるとともに、端面1fsに対して張り出した張出し部1bが形成されている。回路基板との接合面となる下面1fr側(裏面)は、下面1frから端面(側面)、さらに張出し部1bの下面側にまで、はんだとの接合性の良い金属膜からなるパッド1pr、1ps、1pb(まとめて1p)が形成されている。つまり、回路基板と接合するためのはんだとの接合界面として、下面1fr全面から端面1fsにかけての部分はもちろんのこと、張出し部1bの下面側も含めた部分にパッド1pを形成している。
半導体素子1の基材1mとしては、シリコンウエハを基材とした一般的な素子材料でも良いが、本発明においては炭化ケイ素(SiC)や窒化ガリウム(GaN)、またはダイヤモンドといったシリコンと較べてバンドギャップが広い、いわゆるワイドバンドギャップ半導体材料を用いたときの効果が高く、特に顕著な効果が期待できる炭化ケイ素を用いた。デバイス種類としては、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect-Transistor)のようなスイッチング素子、またはダイオードのような整流素子である。
パッド1pとしては、はんだとの接合性を考慮して、基材1m側からTi/Ni/Auの層構造で形成した。電極1eは、後述するワイヤボンドとの接合性を考慮して、厚さ数μmの薄いアルミニウムなどの電極膜やチタン、モリブデン、ニッケル、金などの薄膜層構造で形成した。なお、パッド1pや電極1eの材料としては、上記材料に限定されることはなく、はんだやワイヤボンドといった被接合部材と半導体基材1mとの接合性や安定性等を考慮して適宜選定すればよい。
つぎに、上記半導体素子1を実装した半導体装置について説明する。
図2、図3に示すように、半導体素子1は、回路基板2上にはんだ3を用いて接合されている。このとき、回路基板2の上面(表面)に形成された半導体素子接合用のランド2eLは、図3、図4に示すように、半導体素子1の大きさよりも広くなるように形成され、はんだ3は、半導体素子1のパッド1pと回路基板2のランド2eL間の空隙部分を満たすとともに、はんだ3の表面張力により、パッド1pbの最端部分E1pからランド2eLの最端部分E2eL間が凸状に形成されている。つまり、半導体素子1はランド2eLに対し、下面1sr部分から端面1fsそして張出し部1bの下面部分にかけてはんだ3により接合されている。
また、回路基板2の上面には、半導体素子1の電極1eとの電気接続用に、複数の電極2eEが形成されている。そして、半導体素子の電極1eのそれぞれと回路基板の電極2eEのそれぞれとは、ワイヤボンディングで形成されたアルミニウム、金または銅のワイヤ4により接続されている。図2においては、説明を簡単にするため、他の半導体素子や外部回路との関係については記していないが、電極2eEやランド2eLは、半導体装置内の他の素子や外部回路と電気的に接続されているので、このようなワイヤボンディングにより、半導体素子1と他の素子や外部回路との電気回路を形成することができる。また、図示しないが回路基板2の裏面には放熱板が接合され、半導体素子1から外部への放熱経路も形成される。さらに全体を樹脂等により封止する事で樹脂封止した半導体装置を構成する事ができる。
回路基板2の材料として、放熱性に優れたAlNを用いたが、その他、AlSiC、などのセラミック基板を用いてもよい。ランド2eLや電極2eEは、銅、アルミニウムなどの導電性材料またはそれらを主成分とする合金材料からなり、表面は、酸化防止やはんだ材料の濡れ性を考慮して、ニッケルおよび金などのめっき被膜が形成されている。また、はんだ3として、Sn−3Ag−0.5Cuのものを用いたが、上記SnAgCu系以外に、Sn−Sb系(例えば、Sn−10Sb)などのSn系やAuSn系でもよい。
つぎに動作について説明する。
上記のように半導体素子1を回路基板2に実装した半導体装置を駆動させると、半導体素子1をはじめとする半導体装置内の様々な素子に電流が流れ、その際、電気抵抗分の電力ロスが熱へと変換され、発熱が生ずる。このとき、SiCのような高性能の半導体素子を用いると電流が大きく、動作時の温度は300℃にまで達する。このとき、回路基板2と半導体素子1の熱膨張率が異なるので、回路基板2と半導体素子1とを接合するはんだ3との接合界面に熱応力が発生する。例えば、停止に伴って温度が下がっていく場合、回路基板2の方が半導体素子1よりも熱膨張率が大きいので、半導体素子1に対して収縮するような力が生ずる。そのため、図5に示すように回路基板2が半導体素子1を押し上げるように上側が凸になる曲げモーメントMbが発生する。
このとき、本実施の形態1にかかる半導体素子1は、端面1fsから張り出した張出し部1bの少なくとも下面側の部分にまでパッド1pを形成したので、図5(a)に示すように、はんだ3の端面1fsからのはみ出し長さLb(×奥行き=面積)が半導体素子1の上面1ftに近い側においても長く(大面積)保たれている。一方、従来のように、パッドを端面まで形成しただけの半導体素子1Fでは、はんだ3の端面1Ffsからのはみ出し長さLfが半導体素子1Fの上面1Fftに近い側においては、短くなってしまう。そのため、本実施の形態1にかかる半導体素子1では、曲げモーメントMbに対するはんだ3に発生する応力を抑える力が従来の半導体素子1Fよりも大きくなり、温度変化時の応力によるはんだ3の剥離を抑える力を増大させ、接合信頼性を向上させることができる。また、端面1fsが主接合面となる半導体素子1の下面1frに対して傾斜せず、ほぼ垂直に形成しているので、はんだ3を剥離方向に押し出す力が発生することもない。つまり、端面1fsの上面1ft側に張出し部1bを設け、張出し部1bの下面側部分にまでパッド1pbを形成し、はんだ3との接合界面を端面1frよりも主接合面である下面1frの延在方向で外側まで拡大させたことにより、はんだ3に生じる応力を緩和することができ、最高到達温度が高く、温度変化量の大きなパワーサイクル負荷にも耐えることが可能になる。
なお、端面に傾斜を設けた場合には、はんだを剥離する力が生じることを説明したが、本実施の形態1のように張出し部を設けてパッドを形成し、はんだとの接合界面を端面よりも外側まで拡大するようにすれば、端面が傾斜しているような場合でもはんだを剥離させる応力を緩和させることができる。
つぎに、本実施の形態1にかかる半導体素子の製造方法について説明する。
図6は本発明の実施の形態1にかかる半導体素子の製造方法を示すための各工程における断面図である。図6(a)は複数の半導体素子の要素を形成したウエハ10wの断面図である。つぎに、図6(b)に示すように、ウエハを半導体素子に分割するための分割線Ldでウエハ裏面10frから、ダイサーにて深さPeまで溝10gを掘り下げた、つまり所定深さ、所定幅の溝10g付きウエハ10wを形成する。さらに、図6(c)に示すように、溝10gを形成したウエハ10wの裏面10frに、スパッタまたは蒸着などの方法で金属膜10cを形成したウエハ10wを形成するする。ここでは、金属膜10cは、例えばCr/Ni/Auの3層で形成した。最後に、図6(d)に示すように、ウエハ10wを溝10gのほぼ中央に当たる分割線Ldに溝10gの幅よりも細い削りしろで切断して分割し、半導体素子1を形成する。これにより、半導体素子1には、端面1fsの上面1ft側に張出し部1bを設け、張出し部1bの下面まで、つまり、素子の下面1frと端面1frを含み、端面1frよりも下面の延在方向で外側まで拡大させたパッド1pが形成される。なお、半導体素子1が矩形の場合、分割線Ldは基本的にウエハ面内を縦横に分割するように縦方向と横方向の2方向で設定され、両方向で溝10gを形成すると4つの端面1fs全てに張出し部1bを形成でき、一方向の分割線にのみ溝10gを形成した場合は、4つの端面1fsのうち、対向するひと組の端面1fsに張出し部1bが形成されることになる。また、図6では示していないが、電極1eについては、どの段階で形成してもよい。
実施の形態1の変形例1.
なお、上記実施の形態1においては、図7(a)に示すように、矩形平板の半導体素子1に対して4つの端面全てに張出し部を設け、張出し部の下面までパッドを形成する例について説明したが、張出し部やパッドの形態はこれに限定されることはない。例えば、図7(b)の半導体素子1Bに示すように張出し部の張出し量を対向する組内では同じでも、組によって異なるようにしてもよい。また、4つの張出し部のうち、対向するひと組の張出し部にのみパッドを形成するようにしてもよい。また、図7(c1)〜図7(c3)の半導体素子1Cに示すように、4つの端面のうち、対向するひと組の端面にのみ張出し部を設けるようにしてもよい。さらに、図7(d1)〜図7(d3)の半導体素子1Dに示すように、端面の全長ではなく、部分的に張出し部を設けるようにしてもよい。なお、図7(c1)〜(c3)と図7(d1)〜(d3)は、(c1)および(d1)は下面から見た平面図、(c2)および(d2)は、それぞれ(c1)および(c2)における視点V2から見た側面図、(c3)および(d3)は、それぞれ(c1)および(c2)における視点V3から見た側面図である。
つまり、平板の半導体素子の端面のうち、少なくとも対向するひと組の端面に張出し部を設け、パッドを能動面に近い側で、接合面の延在方向における端面から外側に拡大させるようにすればよい。このとき、拡大したパッド部分どうしは、半導体素子の面方向において互いに対称的に形成されていることが望ましい。なお、本実施の形態では半導体素子1として矩形板状の場合を想定して説明したが、矩形に限定されることはない。例えば6角形でもよく、その場合でも、3組の端面のうち、少なくとも対向するひと組の端面に張出し部を設け、パッドを能動面に近い側で、接合面の延在方向における端面から外側に拡大させるようにすればよい。
以上のように、本発明の実施の形態1にかかる半導体素子1によれば、板状をなし、厚み方向において対向する面1ft、1frのうち、一方1ftに能動面が形成され、他方1frに回路基板2にはんだ接合するための接合面が形成された半導体素子1であって、半導体素子1の端面1fsのうち、対向する少なくともひと組の端面1fsの能動面1ft側には、能動面1ftの延在方向において当該端面1fsから外側に張出すように形成された張出し部1bがそれぞれ設けられ、回路基板2とのはんだ接合用の金属膜1pが、接合面1frを含み張出し部1bの接合面1fr側の部分1pまでそれぞれ延長するように形成されているように構成したので、はんだ3との接合界面を端面1frから接合面である下面1frの延在方向で外側まで拡大させることになり、端面1fsから面の延在方向にはみ出すはんだ3の面積(Lb×張出し部1bのそれぞれの長さ)を、端面1fsの上面1ft側でも大きく保つことができ、はんだ3に生じる応力を緩和することができるので、熱応力に対して回路基板とのはんだ接合による接合信頼性が向上し、最高到達温度が高く、温度変化量の大きなパワーサイクル負荷にも耐えることが可能になる。
とくに、対向するひと組の端面1fsにそれぞれ設けられた張出し部1bが、互いに対称となるように構成したので、はんだ3にかかる応力が半導体素子に対して対称に作用するので、より機械的な信頼性が向上する。
さらに、張出し部1bを、半導体素子1の残りの端面1fsにも設けるようにしたので、接合面内における4方向(上下左右)の応力を緩和して、機械的な信頼性を向上させることができる。
また、本実施の形態1にかかる半導体装置によれば、回路基板2と、はんだ3により回路基板2に接合された上述した半導体素子1と、半導体素子1の能動面1ftに接合された配線部材4と、を備えるように構成したので、最高到達温度が高く、温度変化量の大きなパワーサイクル負荷にも耐えることが可能な半導体装置を得ることができる。
以上のように、本実施の形態1にかかる半導体素子の製造方法によれば、複数の半導体素子1の要素が形成され、面内に少なくとも一方向の分割線Ldが設定されたウエハ10wに対し、分割線Ldに沿って、ウエハ10wの一方の面である裏面10frから所定幅で所定深さの溝10gを形成する工程と、溝10gが形成されたウエハ10wの溝10gを形成した面10frに、はんだ接合用の金属膜10cを形成する工程と、金属膜10cが形成されたウエハ10wを所定幅よりも細い削りしろにより、分割線Ldに沿って分割する工程と、を備えるように構成したので、回路基板とのはんだ接合の信頼性が高く、最高到達温度が高く、温度変化量の大きなパワーサイクル負荷でも耐えることが可能な半導体素子を容易に製造する事ができる。
なお、上記実施の形態1においては、パッド1pを端面1fsからはみ出すように形成するために、基材1m部分に張出し部1bを設け、張出し部1bの下面1fr側まで延長する例について説明したが、パッドのみが面1ftの延在方向で端面1fsからはみ出すように形成できるのであれば、必ずしも基材1mに張出し部1bを形成しなくてもよい。
なお、上記実施の形態1においては、スイッチング素子(トランジスタ)や整流素子(ダイオード)として機能する半導体素子1には、炭化ケイ素によって形成されたものを示したが、上述したようにこれに限られることはなく、一般的に用いられているケイ素(Si)で形成されたものであってもよい。しかし、ケイ素よりもバンドギャップが大きい、いわゆるワイドギャップ半導体を形成できる炭化ケイ素や、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドを用いた時の方が、以下に述べるように本発明による効果をより一層発揮することができる。
ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子や整流素子(実施の形態1における半導体素子1)は、ケイ素で形成された素子よりも電力損失が低いため、スイッチング素子や整流素子における高効率化が可能であり、ひいては、半導体装置の高効率化が可能となる。さらに、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、スイッチング素子や整流素子の小型化が可能であり、これら小型化されたスイッチング素子や整流素子を用いることにより、半導体装置も小型化が可能となる。また耐熱性が高いので、高温動作が可能であり、ヒートシンクの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化も可能となるので、半導体装置の一層の小型化が可能になる。
一方、上記のように高温動作する場合は停止・駆動時の温度差が大きくなり、さらに、高効率・小型化によって、単位体積当たりに扱う電流量が大きくなる。そのため経時的な温度変化や空間的な温度勾配が大きくなり、半導体素子と配線部材との熱応力も大きくなる可能性がある。しかし、本発明のようにはんだ3との接合界面を主接合面である下面1frの延在方向において端面1frから外側にまで拡大させることになり、端面1fsから面の延在方向にはみ出すはんだ3の面積を、端面1fsの上面1ft側でも大きく保つことができ、はんだ3に生じる応力を緩和することができるので、接合性の信頼度が向上し、ワイドバンドギャップ半導体の特性を活かして、小型化や高効率化を進めてもパワーサイクル寿命が長く、信頼性の高い半導体装置を得ることが容易となる。つまり、本発明による効果を発揮することで、ワイドバンドギャップ半導体の特性を活かすことができるようになる。
なお、スイッチング素子及び整流素子の両方がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていても、いずれか一方の素子がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていてもよい。また、ワイヤやリードといった配線部材も異なる材料を使ってもよい。
1 半導体素子、 1b 張出し部、 1e (半導体素子の)電極、 1f (半導体素子の)面(1ft:能動面(上面、表面)、1fr:接合面(下面、裏面)、1fs:端面)、 1m 基材、 1p パッド(1pr:下面(裏面)パッド、1ps:端面パッド、1pb:張出し部下面部分のパッド(端面からの拡大パッド))、
2 回路基板、 2eE (回路基板の)電極、 2eL (回路基板の)ランド、 3 はんだ、 4 ワイヤ(配線部材)、
10 ウエハ、 10c 金属膜、 10g 溝。
Ld 分割領域、 Mb 曲げ応力、 Pe 深さ位置。

Claims (6)

  1. 板状をなし、厚み方向において対向する面のうち、一方に能動面が形成され、他方に回路基板にはんだ接合するための接合面が形成された半導体素子であって、
    前記半導体素子の端面のうち、対向する少なくともひと組の端面の前記能動面側には、前記能動面の延在方向において当該端面から外側に張出すように形成された張出し部がそれぞれ設けられ、
    前記回路基板とのはんだ接合用の金属膜が、前記接合面を含み前記張出し部の前記接合面側の部分までそれぞれ延長するように形成されている、
    ことを特徴とする半導体素子。
  2. 前記張出し部が、前記半導体素子の残りの端面にも設けられていることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。
  3. 回路基板と、
    前記回路基板にはんだ接合された、請求項1または2に記載の半導体素子と、
    前記半導体素子の能動面に接合された配線部材と、
    を備えたことを特徴とする半導体装置。
  4. 前記半導体素子がワイドバンドギャップ半導体材料により形成されていることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。
  5. 前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化ケイ素、窒化ガリウム、またはダイヤモンド、のうちのいずれかであることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。
  6. 複数の半導体素子の要素が形成され、面内に少なくとも一方向の分割線が設定されたウエハに対し、前記分割線に沿って、前記ウエハの一方の面から所定幅で所定深さの溝を形成する工程と、
    前記溝が形成されたウエハの前記溝を形成した面に、はんだ接合用の金属膜を形成する工程と、
    前記金属膜が形成されたウエハを前記所定幅よりも細い削りしろにより、前記分割線に沿って分割する工程と、
    を備えたことを特徴とする半導体素子の製造方法。
JP2010146105A 2010-06-28 2010-06-28 半導体素子、半導体素子の製造方法および半導体装置 Pending JP2012009736A (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010146105A JP2012009736A (ja) 2010-06-28 2010-06-28 半導体素子、半導体素子の製造方法および半導体装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010146105A JP2012009736A (ja) 2010-06-28 2010-06-28 半導体素子、半導体素子の製造方法および半導体装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2012009736A true JP2012009736A (ja) 2012-01-12

Family

ID=45539923

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010146105A Pending JP2012009736A (ja) 2010-06-28 2010-06-28 半導体素子、半導体素子の製造方法および半導体装置

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2012009736A (ja)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150024492A (ko) * 2013-08-26 2015-03-09 삼성전자주식회사 정전용량 미세가공 초음파 변환기 및 그 싱귤레이션 방법
WO2016079881A1 (ja) * 2014-11-21 2016-05-26 株式会社日立製作所 半導体パワーモジュールおよびその製造方法ならびに移動体
CN109698167A (zh) * 2018-12-21 2019-04-30 河北中瓷电子科技有限公司 缓解陶瓷封装过程中应力释放的方法

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150024492A (ko) * 2013-08-26 2015-03-09 삼성전자주식회사 정전용량 미세가공 초음파 변환기 및 그 싱귤레이션 방법
KR102149332B1 (ko) 2013-08-26 2020-08-31 삼성전자주식회사 정전용량 미세가공 초음파 변환기 및 그 싱귤레이션 방법
WO2016079881A1 (ja) * 2014-11-21 2016-05-26 株式会社日立製作所 半導体パワーモジュールおよびその製造方法ならびに移動体
JPWO2016079881A1 (ja) * 2014-11-21 2017-04-27 株式会社日立製作所 半導体パワーモジュールおよびその製造方法ならびに移動体
CN109698167A (zh) * 2018-12-21 2019-04-30 河北中瓷电子科技有限公司 缓解陶瓷封装过程中应力释放的方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5542567B2 (ja) 半導体装置
JP6487122B2 (ja) 電力用半導体装置
JP5863602B2 (ja) 電力用半導体装置
JP6337957B2 (ja) 半導体モジュールユニットおよび半導体モジュール
JP2007305962A (ja) パワー半導体モジュール
JP2007234690A (ja) パワー半導体モジュール
JP2013069782A (ja) 半導体装置
JP2010283053A (ja) 半導体装置及びその製造方法
JP2011243839A (ja) 電力用半導体装置
JP2017107937A (ja) 電力用半導体装置
JP7136355B2 (ja) 半導体モジュールの回路構造
JP5916651B2 (ja) 電力用半導体装置の製造方法
WO2018020640A1 (ja) 半導体装置
KR102588854B1 (ko) 파워모듈 및 그 제조방법
JP2012009736A (ja) 半導体素子、半導体素子の製造方法および半導体装置
JP6129090B2 (ja) パワーモジュール及びパワーモジュールの製造方法
JP5368357B2 (ja) 電極部材およびこれを用いた半導体装置
CN107611111B (zh) 半导体模块、电力转换装置
JP4594831B2 (ja) 電力用半導体素子
JP6747304B2 (ja) 電力用半導体装置
JP6642719B2 (ja) 半導体装置
KR102611687B1 (ko) 파워모듈
JP7570298B2 (ja) 半導体装置
KR102684858B1 (ko) 열방출 포스트 접합 반도체 패키지 및 이의 제조방법
US20230223317A1 (en) Resin-sealed semiconductor device