JP2012028583A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体チップの接合するにあたって、半導体チップの位置ずれを抑える。
【解決手段】第１外部電極２０に荷重と超音波とを印可することによって、第１金属電極１０ａと第１外部電極２０とが金属接合され、第２金属電極１０ｂと第２外部電極３０とが金属接合される半導体装置において、第１外部電極２０と第１金属電極１０ａとの間の最大静止摩擦力を、第２外部電極３０と第２金属電極１０ｂとの間の最大静止摩擦力よりも小さくした。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、半導体チップと外部電極との接続技術に関する。

特許文献１は、半導体チップの主平面およびその反対側の面を二つの外部電極で挟み、外部電極の上から超音波を印加して半導体チップの両面を同時に外部電極に接合する技術を開示している。この技術では、柔らかい貴金属でできたバンプを半導体チップと外部電極との間に挟み込むことで、半導体チップに大きな力が加わらないようにしている。

特許第４２６０２６３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、半導体チップを固定せずに超音波が印加されるので、振動が印加されてから接合が完了するまでの間、振動によって半導体チップの位置がずれてしまい、外部電極と正しく接合できない場合があった。

本発明は、このような技術的課題に鑑みてなされたもので、半導体チップを外部電極に接合するにあたって、半導体チップの位置ずれを抑えることを目的とする。

本発明のある態様によれば、半導体装置は、半導体チップと、前記半導体チップの主平面に形成された第１金属電極と、前記主平面と反対側の面に形成された第２金属電極と、前記第１金属電極に対向して配置された第１外部電極と、前記第２金属電極に対向して配置された第２外部電極と、を備える。

当該半導体装置では、荷重と超音波とが印可されることによって、前記第１金属電極と前記第１外部電極とが金属接合され、前記第２金属電極と前記第２外部電極とが金属接合される。そして、前記第１外部電極と前記第１金属電極との間の最大静止摩擦力が、前記第２外部電極と前記第２金属電極との間の最大静止摩擦力よりも小さくされる。

本願の一態様によれば、反対側の面の最大静止摩擦力を超えるまで半導体チップは移動しないので半導体チップを位置ずれさせることなく外部電極に金属接合することができる。

本発明に係るパワー半導体装置の第１実施形態を示す図である。 本発明に係るパワー半導体装置の第２実施形態を示す図である。 本発明に係るパワー半導体装置の第３実施形態を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

第１実施形態
図１は本発明の第１実施形態を示している。パワー半導体装置１００は、パワー半導体チップ１０と、第１金属電極１０ａと、第２金属電極１０ｂと、第１外部電極２０と、第２外部電極３０とを備える。

パワー半導体チップ１０の主平面には素子が形成されている。第１金属電極１０ａは主平面に形成され、第２金属電極１０ｂは主平面と反対側の面（裏面）に形成される。第１外部電極２０は、第１金属電極１０ａに対向して配置されるとともに第１金属電極１０ａと直接金属接合される。第２外部電極３０は、第２金属電極１０ｂに対向して配置されるとともに第２金属電極１０ｂと直接金属接合される。

第１金属電極１０ａの表面、第２金属電極１０ｂの表面、第１外部電極２０、及び、第２外部電極３０は、アルミニウムまたはアルミニウム合金である。

第１金属電極１０ａ及び第１外部電極２０の少なくとも一方（一方でも両方でもよい。以下、同じ）の表面には、めっきが形成される。めっきは、アルミニウム合金同士に比べてアルミニウムとの摩擦係数が小さい金、銅、コバルト、鉄、クロム、ニッケル、モリブデン、ニオブなどの金属で構成される。これにより、第１金属電極１０ａと第１外部電極２０との間の最大静止摩擦力は、第２金属電極１０ｂと第２外部電極３０の間の最大静止摩擦力に比べて小さくなる。

めっきは、上記最大静止摩擦力の差を生じさせるために形成されるので、１ミクロン以下の薄いめっきで十分である。めっきを薄くすることによって、パワー半導体チップ１０と外部電極２０、３０との接合部においてめっきが分散して金属間化合物が生成されるのが抑えられ、接合部に金属間化合物が混入することによる接合部の強度低下を抑えることができる。

続いて、パワー半導体装置１００の製造方法及びその作用効果について説明する。

まず、固定台４０の上に第２外部電極３０が設置される。

次に、第２外部電極３０と第２金属電極１０ｂとが接するように、第２外部電極３０の上にパワー半導体チップ１０が設置される。

次に、パワー半導体チップ１０の第１金属電極１０ａの上に第１外部電極２０が設置される。このとき、第１金属電極１０ａまたは第１外部電極２０のうち少なくとも一方の表面にはめっきが形成され、両者の間の摩擦係数が低減されている。

次に、第１外部電極２０の上に超音波圧着ツール４１が押し付けられ、荷重と超音波とが印加される。

第１金属電極１０ａと第１外部電極２０との間の最大静止摩擦力は、めっきが両者の間にあることによって、第２金属電極１０ｂと第２外部電極３０との間の最大静止摩擦力よりも小さくなる。したがって、第１外部電極２０に超音波を印加すると、超音波圧着ツール４１に近い第１金属電極１０ａと第１外部電極２０との間でのみ超音波振動の摺動が開始される。

一旦摺動が開始されると動摩擦力は静止摩擦力より小さいので、第２金属電極１０ｂと第２外部電極３０との間では超音波振動は起こらず、第１金属電極１０ａと第１外部電極２０との間でのみ超音波振動が行われ、当該部位において接合中心が成長する。

この接合中心による力が反対側の面の最大静止摩擦力を超えるまでパワー半導体チップ１０は移動しないので、パワー半導体チップ１０が位置ずれを起こすことはない。

接合中心による力が反対側の面の静止摩擦力を超えると、反対側の面の摺動が始まり、第２金属電極１０ｂと第２外部電極３０との間で超音波振動による接合が開始される。

この時点では、パワー半導体チップ１０は接合中心の形成によって第１外部電極２０に拘束されているので、パワー半導体チップ１０の位置ずれが起こることはない。よって、これ以降は、超音波振動を大きくするともに荷重を重くし、超音波圧着ツール４１から離れた第２金属電極１０ｂと第２外部電極３０との間にも十分なエネルギーを供給し、強度の高い金属接合を実現する。

このように、第１実施形態によれば、パワー半導体チップ１０を、位置ずれさせることなく、外部電極２０、３０と金属接合することができる。

また、接合にはんだを使用しないので、はんだの融点より高い温度でパワー半導体装置１００を使用することが可能になり、高温での信頼性が高くなる。さらに、貴金属のバンプを使用しないので、パワー半導体装置１００を低コストで製造することができ、また、バンプの位置ずれによるパワー半導体チップ１０の破損も防止できる。

一方の面にニッケルめっきを形成した半導体チップを２枚のアルミニウム電極に挟み、一方から超音波を印可して金属接合を行う実験を行った結果は次の通りである。

超音波を印加する超音波圧着ツールに近い面（第１実施形態では、第１金属電極１０ａ及び／又は第１外部電極２０の表面）にめっきをした場合は、その部位が十分に金属接合されたことが確かめられた。また、半導体チップの位置は殆どずれないことが確認された。一方、超音波を印加する超音波圧着ツールから遠い面（第１実施形態では、第２金属電極１０ｂ及び／又は第２外部電極３０の表面）にめっきをした場合は、その部位の金属接合が十分になされなかった。

なお、第１実施形態では、第１金属電極１０ａ及び第１外部電極２０の少なくとも一方の表面にアルミニウム合金同士よりもアルミニウムとの摩擦係数が小さくなる金属のめっきを形成しているが、逆に、第２金属電極１０ｂ及び第２外部電極３０の少なくとも一方の表面にアルミニウム合金同士よりもアルミニウムとの摩擦係数が大きくなる金属のめっきを形成してもよい。そのような摩擦係数を増大させるめっきとしては、例えば、鉛、スズ、マグネシウム、亜鉛などの金属のめっきである。このようにしても上記したのと同様の超音波による金属接合が可能である。

また、第１金属電極１０ａ及び第１外部電極２０の少なくとも一方の表面にめっきを形成しているが、これに代えて、第１金属電極１０ａ及び第１外部電極２０の少なくとも一方の表面に微少な凹凸を形成するようにしてもよい。凹凸は、第１金属電極１０ａと第１外部電極２０との間の摩擦抵抗を上記めっきと同程度に低減できる大きさであればよく、例えば、凹部と凸部の幅がそれぞれミクロンオーダーの凹凸である。

このように、めっきに代えて凹凸を形成する場合であっても、第２金属電極１０ｂと第２外部電極３０との間の最大静止摩擦力に比べて第１金属電極１０ａと第１外部電極２０との間の最大静止摩擦力を小さくできるので、めっきをした場合と同じ結果が得られる。また、接合部に異種金属（めっき用の金属）が混入しないので、高温での信頼性が高い接合が実現される。また、めっきを使用しない分、安く製造することができる。

第２実施形態
図２は本発明の第２実施形態を示している。パワー半導体装置２００は、パワー半導体チップ１０と、第１金属電極１０ａと、第２金属電極１０ｂと、第１外部電極２０と、第２外部電極３０とを備える。

パワー半導体チップ１０の主平面には素子が形成されている。第１金属電極１０ａは主平面に形成され、第２金属電極１０ｂは主平面と反対の面（裏面）に形成される。

第２外部電極３０の表面には凸形状３０ｐが形成される。これによって、第２金属電極１０ｂと第２外部電極３０との接触面積が、第１金属電極１０ａと第１外部電極２０との接触面積よりも小さくなっている。

第１外部電極２０は、第１金属電極１０ａに対向して配置されるとともに第１金属電極１０ａと直接金属接合される。第２外部電極３０は、第２金属電極１０ｂに対向して配置されるとともに第２金属電極１０ｂと直接金属接合される。

続いて、パワー半導体装置２００の製造方法及びその作用効果について説明する。

まず、固定台４０の上に第２外部電極３０が設置される。

次に、第２外部電極３０の上に形成された凸形状３０ｐに第２金属電極１０ｂが接するようにパワー半導体チップ１０が第２外部電極３０の上に設置される。

次に、パワー半導体チップ１０の第１金属電極１０ａに接するように第１外部電極２０がパワー半導体チップ１０の上に設置される。

次に、第１外部電極２０の上に超音波圧着ツール４１が押し付けられ、荷重と超音波とが印加される。

第１金属電極１０ａと第１外部電極２０との間に比べて第２金属電極１０ｂと第２外部電極３０との間は面荷重が高く、摩擦抵抗が大きいので、超音波を印加すると超音波圧着ツール４１に近い第１金属電極１０ａと第１外部電極２０との間で超音波振動の摺動が開始される。一旦摺動が開始されると動摩擦力は静止摩擦力より小さいので、第１金属電極１０ａと第１外部電極２０との間でのみ超音波振動が行われ、当該部位において接合中心が成長する。この接合中心による力が反対側の面の最大静止摩擦力を超えるまで、パワー半導体チップ１０は移動しないので、パワー半導体チップ１０の位置ずれは起こらない。

その後、接合中心による力が反対側の面の静止摩擦力を超えると、反対側の面の摺動が始まり、超音波振動による接合が開始される。この時点では、パワー半導体チップ１０は接合中心の形成によって第１外部電極２０に拘束されるので、パワー半導体チップ１０の位置ずれはやはり起こらない。

また、接合中心ができた後はパワー半導体チップ１０の位置がずれないので、途中から超音波振動を大きくし荷重を強くすることによって、超音波圧着ツール４１から離れた面にも十分なエネルギーを供給し、第２金属電極１０ｂと第２外部電極３０との間で強度の高い金属接合を実現する。

このように電極同士の接触面積を異ならせる方法であっても、第１実施形態と同様に、パワー半導体チップ１０の位置ずれを起こすことなくパワー半導体チップ１０と外部電極２０、３０とを接続することができる。

さらに、第２実施形態では、めっきを使用しないので、接合部に異種金属が混入せず、高温での信頼性が高い接合が実現できる。また、めっきを使用しない分、安く製造することができる。

第３実施形態
図３は本発明の第３実施形態を示している。パワー半導体装置３００は、第１パワー半導体チップ１０と、第１金属電極１０ａと、第２金属電極１０ｂと、第２パワー半導体チップ１１と、第３金属電極１１ａと、第４金属電極１１ｂと、第１外部電極２０と、第２外部電極３０と、第３外部電極６０とを備える。

第１パワー半導体チップ１０の主平面には素子が形成されている。第１金属電極１０ａは主平面に形成され、第２金属電極１０ｂは主平面と反対の面（裏面）に形成される。第１外部電極２０は、第１金属電極１０ａに対向して配置されるとともに第１金属電極１０ａと直接金属接合される。第２外部電極３０は、第２金属電極１０ｂに対向して配置されるとともに第２金属電極１０ｂと直接金属接合される。

第２パワー半導体チップ１１は、第２外部電極３０の裏面側に配置される。第３金属電極１１ａは、第２パワー半導体チップ１１の主平面に形成され、第２外部電極３０に対向して配置されるとともに第２外部電極３０と直接金属接合される。第４金属電極１１ｂは、第２パワー半導体チップ１１の主平面と反対側の面（裏面）には形成される。第４金属電極１１ｂは、第３外部電極６０に対向して配置されるとともに第３外部電極６０と直接金属接合される。

各電極はアルミニウムもしくはアルミニウム合金で形成され、第１金属電極１０ａと第１外部電極２０との間の最大静止摩擦力は第２金属電極１０ｂと第２外部電極３０と間の最大静止摩擦力より小さい。また、第４金属電極１１ｂと第３外部電極６０との間の最大静止摩擦力は第３金属電極１１ａと第２外部電極３０との間の最大静止摩擦力よりも小さい。最大静止摩擦力の差は、第１実施形態と同様に、めっきによって形成される。

続いて、パワー半導体装置３００の製造方法及びその作用効果について説明する。

まず、第２超音波圧着ツール４２の上に第３外部電極６０が設置される。

次に、第３外部電極６０の上に第４金属電極１１ｂ側が接するように第２パワー半導体チップ１１が設置される。

次に、第２パワー半導体チップ１１の第３金属電極１１ａの上に第２外部電極３０が設置される。

次に、第２外部電極３０の上に第２金属電極１０ｂ側が接するようにパワー半導体チップ１０が設置される。

次に、パワー半導体チップ１０の第１金属電極１０ａの上に第１外部電極２０が設置される。

その後、第１外部電極２０の上に第１超音波圧着ツール４１が押し付けられ、第１超音波圧着ツール４１から第１外部電極２０に荷重と超音波とが印加されるとともに、第２超音波圧着ツール４２から第３外部電極６０に荷重と超音波とが印加される。これにより、第１金属電極１０ａと第１外部電極２０との間、及び、第４金属電極１１ｂと第３外部電極６０との間で金属接合が開始される。

第１外部電極２０と第１金属電極１０ａとの最大静止摩擦力、及び、第３外部電極６０と第４金属電極１１ｂとの最大静止摩擦力が減少するように第１外部電極２０及び第１金属電極１０ａの少なくとも一方の表面、並びに、第３外部電極６０及び第４金属電極１１ｂの少なくとも一方の表面には、第１実施形態と同様に、めっきが形成されている。

また、外部電極２０、３０、６０のパワー半導体チップ１０、１１に接する面に同じ面積の凸形状２０ｐ、３０ｐ、６０ｐがそれぞれ形成されている。これにより、パワー半導体チップ１０、１１の上下の接触面積を等しくし、面荷重の影響を無くすことができる。

第１外部電極２０に印加する超音波と第３外部電極６０に印加する超音波は、振動方向が同じで逆位相であるか、または、振動方向が異なるようにする。超音波の振動方向が同じで逆位相とすれば、超音波が打ち消し合うことなく効率良く接合でき、また、振動方向が異なれば、二つの超音波振動の位相を調整することにより接合面を均一に接合することができる。

第１金属電極１０ａと第１外部電極２０との間、及び、第４金属電極１１ｂと第３外部電極６０との間で接合中心が形成されると、第１外部電極２０に対する第１パワー半導体チップ１０の位置、及び、第３外部電極６０に対する第２パワー半導体チップ１１の位置がずれなくなるので、途中から超音波振動を大きくして荷重を強くする。これにより、第２金属電極１０ｂと第２外部電極３０の間及び第３金属電極１１ａと第２外部電極３０の間にも十分なエネルギーを供給し、これらの部位においても強度の高い金属接合を実現することができる。

このように、第３実施形態によれば、接合面が複数ある構造においても第１実施形態と同様に超音波による金属接合を行うことができる。なお、第３実施形態では、めっきを形成することで接合面の最大静止摩擦力に差を設けているが、凹凸を設けること、又は、接触面積を異ならせることによって最大静止摩擦力に差を設けるようにしてもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例を示したものに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、外部電極に接合される半導体チップはパワー半導体チップに限定されず、本発明は、半導体チップと外部電極とを接続する半導体装置に広く適用可能である。また、接合面の数も、第１及び第２実施形態では２つ、第３実施形態では４つであるが、３つの接合面、又は、５つ以上の接合面を有していても本発明は適用可能である。

また、最大静止摩擦力に差を設ける方法として、めっきを形成する方法、凹凸を形成する方法、接触面積を異ならせる方法について説明したが、これらのうち複数を組み合わせて最大静止摩擦力に差を設けるようにしてもよい。例えば、対向する面の一方にめっきを形成するとともに他方に凹凸を形成する等により、当該部位の最大静止摩擦力を低下させることができる。

１０ …パワー半導体チップ、第１パワー半導体チップ
１０ａ…第１金属電極
１０ｂ…第２金属電極
１１ …第２パワー半導体チップ
１１ａ…第３金属電極
１１ｂ…第４金属電極
２０ …第１外部電極
３０ …第２外部電極
４０ …固定台
４１ …超音波圧着ツール
４２ …超音波圧着ツール
６０ …第３外部電極
１００…パワー半導体装置
２００…パワー半導体装置
３００…パワー半導体装置

Claims (12)

1. 半導体チップと、
   前記半導体チップの主平面に形成された第１金属電極と、
   前記主平面と反対側の面に形成された第２金属電極と、
   前記第１金属電極に対向して配置された第１外部電極と、
   前記第２金属電極に対向して配置された第２外部電極と、
   を備え、荷重と超音波とが印可されることによって、前記第１金属電極と前記第１外部電極とが金属接合され、前記第２金属電極と前記第２外部電極とが金属接合される、半導体装置であって、
   前記第１外部電極と前記第１金属電極との間の最大静止摩擦力を、前記第２外部電極と前記第２金属電極との間の最大静止摩擦力よりも小さくした、
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置であって、
   前記第１金属電極及び前記第１外部電極の少なくとも一方の表面、または、前記第２金属電極及び前記第２外部電極の少なくとも一方の表面にめっきを形成した、
   ことを特徴とする半導体装置。
3. 請求項１または２に記載の半導体装置であって、
   前記第１金属電極及び前記第１外部電極の少なくとも一方の表面に凹凸を形成した、
   ことを特徴とする半導体装置。
4. 請求項１から３のいずれか一つに記載の半導体装置であって、
   前記第２金属電極と前記第２外部電極との接触面積が、前記第１金属電極と前記第１外部電極との接触面積よりも小さい、
   ことを特徴とする半導体装置。
5. 請求項１から４のいずれか一つに記載の半導体装置であって、
   固定台の上に前記第２外部電極を設置し、前記第２外部電極に前記第２金属電極が接するように前記半導体チップを前記第２外部電極の上に設置し、前記半導体チップの前記第１金属電極に接するように前記第１外部電極を前記半導体チップの上に設置し、前記第１外部電極に荷重と超音波とを印加することによって、前記第１金属電極と前記第１外部電極とが金属接合され、次いで、前記第２金属電極と前記第２外部電極とが金属接合される、
   ことを特徴とする半導体装置。
6. 第１半導体チップと、
   前記第１半導体チップの主平面に形成された第１金属電極と、
   前記第１半導体チップの前記主平面と反対側の面に形成された第２金属電極と、
   第２半導体チップと、
   前記第２半導体チップの主平面に形成された第３金属電極と、
   前記第２半導体チップの前記主平面と反対側の面に形成された第４金属電極と、
   前記第１金属電極に対向して配置された第１外部電極と、
   前記第２金属電極及び第３金属電極の間に配置された第２外部電極と、
   前記第４金属電極に対向して配置された第３外部電極と、
   を備え、荷重と超音波とが印可されることによって、前記第１金属電極と前記第１外部電極とが金属接合されるとともに前記第４金属電極と前記第３外部電極とが金属接合され、前記第２金属電極及び前記第３金属電極が前記第２外部電極と金属接合される、半導体装置であって、
   前記第１外部電極と前記第１金属電極との間、及び、前記第３外部電極と前記第４金属電極との間の最大静止摩擦力を、前記第２外部電極と前記第２金属電極との間、及び、前記第２外部電極と前記第３金属電極との間の最大静止摩擦力よりも小さくした、
   ことを特徴とする半導体装置。
7. 請求項６に記載に記載の半導体装置であって、
   前記第１金属電極及び前記第１外部電極の少なくとも一方の表面にめっきが形成されるとともに前記第４金属電極及び前記第３外部電極の少なくとも一方の表面にめっきが形成される、または、前記第２金属電極及び前記第２外部電極の少なくとも一方の表面にめっきが形成されるとともに前記第３金属電極と前記第２外部電極の少なくとも一方の表面にめっきが形成される、
   ことを特徴とする半導体装置。
8. 請求項６または７に記載に記載の半導体装置であって、
   前記第１金属電極及び前記第１外部電極の少なくとも一方の表面に凹凸が形成されるとともに前記第４金属電極及び前記第３外部電極の少なくとも一方の表面に凹凸が形成される、
   ことを特徴とする半導体装置。
9. 請求項６から８のいずれか一つに記載に記載の半導体装置であって、
   前記第２金属電極と前記第２外部電極との接触面積、及び、前記第３金属電極と前記第２外部電極との接触面積が、前記第１金属電極と前記第１外部電極との接触面積、及び、前記第４金属電極と前記第３外部電極との接触面積よりも小さい、
   ことを特徴とする半導体装置。
10. 請求項６から９のいずれか一つに記載に記載の半導体装置であって、
    前記第１外部電極及び前記第３外部電極にそれぞれ荷重と超音波とが印加され、
    前記第１外部電極に印加される超音波と前記第３外部電極に印加される超音波とは、振動方向が同じで逆位相、または、振動方向が異なる、
    ことを特徴とする半導体装置。
11. 請求項１から１０のいずれか一つに記載の半導体装置であって、
    前記第１外部電極と前記第１金属電極とが金属接合された後、印可される超音波の振動が増大され、前記第２外部電極と前記第２金属電極とが金属接合される、
    ことを特徴とする半導体装置。
12. 半導体チップと、前記半導体チップの主平面に形成された第１金属電極と、前記主平面と反対側の面に形成された第２金属電極と、前記第１金属電極に金属接合される第１外部電極と、前記第２金属電極に金属接合される第２外部電極と、を有する半導体装置の製造方法であって、
    前記第１外部電極と前記第１金属電極との間の最大静止摩擦力を、前記第２外部電極と前記第２金属電極との間の最大静止摩擦力よりも小さくし、
    固定台の上に前記第２外部電極を設置し、
    前記第２外部電極に前記第２金属電極が接するように前記半導体チップを前記第２外部電極の上に設置し、
    前記半導体チップの前記第１金属電極に接するように前記第１外部電極を前記半導体チップの上に設置し、
    荷重と超音波とを印加することによって、前記第１金属電極と前記第１外部電極とを金属接合し、次いで、前記第２金属電極と前記第２外部電極とを金属接合する、
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法。

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