JP2012028613A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device.
基板材料に炭化珪素(SiC)を用いた半導体装置が知られている。例えば、基板上に窒化物系の半導体層(例えば、GaN系半導体層)を積層することで、高出力の高電子移動度トランジスタ(HEMT:HEMT:High Electron Mobility Transistor)を形成することができる。 A semiconductor device using silicon carbide (SiC) as a substrate material is known. For example, a high-power high electron mobility transistor (HEMT) can be formed by stacking a nitride-based semiconductor layer (for example, a GaN-based semiconductor layer) on a substrate.
SiC基板を含む半導体チップを実装部に実装する場合、安価で放熱性に優れた銅(Cu)実装部を使用することが一般的である。また、SiC基板を含む半導体チップをCu実装部に固定する際のロウ材には、金スズ(AuSn)ペーストを使用することが一般的である。 When a semiconductor chip including an SiC substrate is mounted on a mounting portion, it is common to use a copper (Cu) mounting portion that is inexpensive and excellent in heat dissipation. Moreover, it is common to use a gold tin (AuSn) paste for the brazing material when fixing the semiconductor chip including the SiC substrate to the Cu mounting portion.
Cuは熱膨張率が大きいため、温度変化に伴いCu実装部が伸縮すると、Cu実装部の内部で応力が発生し、SiC基板を含む半導体チップへと伝達される。SiCとCuは熱膨張率が大きく異なるため、半導体チップには非常に大きな力が加わる。また、半導体チップとCu実装部とを固定するAuSnペーストは固いため、緩衝材としては十分に機能しない。その結果、半導体チップにクラックが発生してしまう場合がある。 Since Cu has a large coefficient of thermal expansion, when the Cu mounting portion expands and contracts with a change in temperature, stress is generated inside the Cu mounting portion and is transmitted to the semiconductor chip including the SiC substrate. Since SiC and Cu have greatly different coefficients of thermal expansion, a very large force is applied to the semiconductor chip. Further, since the AuSn paste for fixing the semiconductor chip and the Cu mounting portion is hard, it does not function sufficiently as a buffer material. As a result, a crack may occur in the semiconductor chip.
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、SiC基板を含む半導体チップがCu実装部に実装された半導体装置において、チップクラックの発生を抑制することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to suppress the occurrence of chip cracks in a semiconductor device in which a semiconductor chip including an SiC substrate is mounted on a Cu mounting portion.
本半導体装置は、SiC基板を含む半導体チップと、本体がCuで構成され前記半導体チップを搭載する実装部とを備え、前記半導体チップは、エポキシを含まない溶剤にAg微粒子を分散したAgペーストにより前記実装部に固定されている。 The semiconductor device includes a semiconductor chip including a SiC substrate, and a mounting portion in which a main body is made of Cu and on which the semiconductor chip is mounted, and the semiconductor chip is made of Ag paste in which Ag fine particles are dispersed in a solvent not containing epoxy. It is fixed to the mounting part.
上記構成において、前記半導体チップにおける、前記実装部に固定される側の主面は、Agである構成とすることができる。 The said structure WHEREIN: The main surface of the side fixed to the said mounting part in the said semiconductor chip can be set as the structure which is Ag.
上記構成において、前記基板の厚みは、50μm〜150μmである構成とすることができる。 The said structure WHEREIN: The thickness of the said board | substrate can be set as the structure which is 50 micrometers-150 micrometers.
上記構成において、前記実装部には、ネジ止め用の貫通孔が形成されている構成とすることができる。 The said structure WHEREIN: The said mounting part can be set as the structure by which the through-hole for screwing is formed.
本発明によれば、SiC基板を含む半導体チップがCu実装部に実装された半導体装置において、チップクラックの発生を抑制することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, generation | occurrence | production of a chip crack can be suppressed in the semiconductor device with which the semiconductor chip containing a SiC substrate was mounted in Cu mounting part.
(比較例)
最初に、比較例に係る半導体装置について説明する。
(Comparative example)
First, a semiconductor device according to a comparative example will be described.
図1は、比較例に係る半導体装置80を試験装置に搭載した状態を示す図である。図1(a)は断面模式図であり、図1(b)は上面模式図である。SiC基板を含む半導体チップ10が、AuSnペースト32によりCu実装部20に実装されている。(実装部20は、ヒートシンク等を含む)。Cu実装部20は、本体がCu(純銅)で構成され、そのCuの上下には、Cu側からNi,Auの順に積層されたカバー膜がそれぞれ形成されている。Cu実装部20の上面(半導体チップ10が実装された側の面)には、半導体チップ10を囲むように側壁24が設けられ、側壁24の上面はキャップ26により封止されている。Cu実装部20には複数の貫通孔22が形成され、Cu実装部20は貫通孔22に設けられたネジ42により、試験用のAl筐体40に固定されている。
FIG. 1 is a diagram illustrating a state in which a
ここで、Al筐体40に固定された半導体装置80に対し、「−65℃に30分、室温に5分、175℃に30分」の条件下で100回の繰り返し環境試験を行った。このとき、基板の厚みは100μm、貫通孔の直径は100μm、貫通孔の数は17、貫通孔同士のピッチは222μm、半導体チップのチップサイズは3.90×0.72mm、ネジ締めの圧力は3kgf/cm2、とした。その結果、試験に用いた10個のサンプルのうち、4個のサンプルにおいてチップクラック(図1の符号16)が発生した。
Here, the
SiC基板を含む半導体チップ10は、熱膨張率が小さく、硬く割れやすい性質を有する。一方、Cuを材料とする実装部20は、熱膨張率が大きく、周囲の温度変化に伴い大きく伸縮する。上記の環境試験において、Cu実装部20の伸縮に伴い発生した内部応力は、AuSnペースト32を介して半導体チップ10へと伝達される。Cu実装部20の伸縮の繰り返しにより、半導体チップ10に働く応力の大きさが限界値を超えたときに、半導体チップ10にチップクラック16が発生する。図中の矢印は、チップクラック16が発生した際における応力の働く方向を示す。
The
ここで、半導体チップ10とCu実装部20とを固定するAuSnペースト32は硬い材料であるため、Cu実装部20から半導体チップ10に伝達される応力を緩和するための緩衝材としては十分に機能していない。
Here, since the AuSn paste 32 that fixes the
図2は、実施例1に係る半導体装置100の製造方法を示す図である。図2(a)に示すように、Cu実装部20の上面に側壁24が形成され、側壁24の周囲にCu実装部20の貫通孔22が形成されている。比較例と異なり、側壁24内部における半導体チップ10の実装予定領域には、AuSnペーストの代わりにAgペースト30が供給されている。また、実施例1において、Cu実装部20のCuの仕様は、比較例と同様である。
FIG. 2 is a diagram illustrating the method for manufacturing the
最初に、図2(a)に示すように、Agペースト30が設けられた実装予定領域に半導体チップ10を搭載(ダイボンディング)する。半導体チップ10の下面(Cu実装部20に固定される側の主面)には、Agめっき層14が設けられている。Agペースト30のリフロー時の温度は、例えば200℃とする。また、Agめっき層14は、めっき以外にも蒸着、スパッタにより形成することもできる。
First, as shown in FIG. 2A, the
次に、図2(b)に示すように、側壁24の上面をキャップ26により封止する。次に、図2(c)に示すように、Cu実装部20及び半導体チップ10を室温付近(例えば、25℃)まで冷却する。冷却に伴うCu実装部20の縮小により、Cu実装部20の内部には圧縮方向の応力が残存し、半導体チップ10の内部には引張方向の応力が残存する(図中の矢印参照)。以上の工程により、実施例1に係る半導体装置100が完成する。
Next, as shown in FIG. 2B, the upper surface of the
図3は、実施例1に係る半導体装置100を試験装置に搭載した状態を示す図である。図3(a)は断面模式図であり、図3(b)は上面模式図である。SiC基板12を含む半導体チップ10が、Agペースト30によりCu実装部20に実装されている。Cu実装部20の上面には、半導体チップ10を囲むように側壁24が設けられ、側壁24の上面はキャップ26により封止されている。Cu実装部20には複数の貫通孔22が形成され、Cu実装部20は貫通孔22に設けられたネジ42により、試験用のAl筐体40に固定されている。
FIG. 3 is a diagram illustrating a state in which the
ここで、比較例と同様に、Al筐体40に固定された半導体装置100に対し、「−65℃に30分、室温に5分、175℃に30分」の条件下で100回の繰り返し環境試験を行った。このとき、基板の厚みは100μm、貫通孔の直径は100μm、貫通孔の数は17、貫通孔同士のピッチは222μm、半導体チップのチップサイズは3.90×0.72mm、ネジ締めの圧力は3kgf/cm2、とした。その結果、試験に用いた10個のサンプル全てにおいて、チップクラックは発生しなかった。
Here, as in the comparative example, the
実施例1に係る半導体装置100によれば、半導体チップ10とCu実装部20とを固定するためのロウ材として、Agペースト30を用いている。AgペーストはAuSnペーストに比べて柔らかく、Cu実装部20から半導体チップ10に伝達される応力を緩和する緩衝材として機能する。また、Agペーストのリフロー時の温度(約200℃)は、AuSnペーストの融点(約280℃)に比べて低い。このため、半導体チップ10をCu実装部20に実装後に室温(約25℃)まで冷却する際に、AuSnペーストでは約255℃の温度差が、Agペーストでは約175℃の温度差がそれぞれ生じる。Agペーストを用いる場合、AuSnペーストを用いる場合に比べて冷却時の温度差が小さいため、半導体チップ10の内部に残存する内部応力が小さい。以上のことから、SiC基板12を含む半導体チップ10がCu実装部20に実装された半導体装置100において、ロウ材としてAgペーストを用いることにより、チップクラックの発生を抑制することができる。
According to the
また、実施例1に係る半導体装置100によれば、半導体チップ10の下面にAgめっき層14が設けられている。半導体チップ10にAgめっきを施すことにより、半導体チップ10とAgペースト30との付着性が良好となるため、信頼性をより向上させることができる。
In addition, according to the
上記実施例において、Agペースト30には、エポキシを含まない材料(例えば、エポキシを含まない有機溶剤(例えば、ターピネオールC)にAg微粒子を分散したもの)を用いることが好ましい。エポキシは熱伝導性が悪いため、Agペースト30がエポキシを含まないようにすることで、半導体装置100の放熱性を向上させることができる。
In the above embodiment, it is preferable to use an epoxy-free material (for example, an Ag-free organic solvent (for example, terpineol C) in which Ag fine particles are dispersed) as the
上記実施例において、SiC基板12の厚みが所定値より小さいと、半導体チップ10は柔軟になるためチップクラックが生じにくくなる。また、SiC基板12の厚みが所定値より大きいと、半導体チップ10が頑丈になるため同様にチップクラックが生じにくくなる。従って、Agペースト30を用いることによるチップクラックの抑制効果を得るためには、SiC基板12の厚みが50〜150μmの範囲であることが好ましく、100〜150μmの範囲であることが更に好ましい。
In the said Example, when the thickness of the
上記実施例において、半導体装置100は、試験用のAl筺体40に実装されている構成としたが、実際の製品では、半導体装置100は、Al筺体40の代わりに回路基板または放熱用の治具に実装されている構成とすることができる。回路基板または放熱用の治具への実装は、例えばネジ止めにより行うことができるが、その場合はネジ止めによりCu実装部20の伸縮が制限されるため、よりチップクラックが生じやすくなる。このような構成は、Agペースト30によるチップクラックの抑制効果を得るためにより好適である。また、上記構成のために、Cu実装部20には、ネジ止め用の貫通孔が形成されていることが好ましい。
In the above embodiment, the
上記実施例において、半導体チップ10は、例えばSiC基板12の表面に窒化物半導体層が形成された構成とすることができる。窒化物半導体層は、例えば、AlNを材料とする300nmのバッファ層、i−GaNを材料とする1000nmのチャネル層(電子走行層)、n−AlGaNを材料とする20nmの電子供給層、及びn−GaNを材料とする5nmのキャップ層が順に積層された構造を有する。窒化物半導体層には、例えば、GaN、AlN、InN、InGaN、AlGaN、InAlN、InAlGaN等を用いることができる。
In the embodiment described above, the
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to such specific embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.
10 半導体チップ
12 SiC基板
14 Agめっき層
16 チップクラック
20 Cu実装部
22 貫通孔
24 側壁
26 キャップ
30 Agペースト
40 Al筺体
42 ネジ
100 半導体装置
DESCRIPTION OF
Claims (4)
本体がCuで構成され前記半導体チップを搭載する実装部とを備え、
前記半導体チップは、エポキシを含まない溶剤にAg微粒子を分散したAgペーストにより前記実装部に固定されていることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor chip including a SiC substrate;
A main body is made of Cu and includes a mounting portion on which the semiconductor chip is mounted;
The semiconductor device, wherein the semiconductor chip is fixed to the mounting portion with an Ag paste in which Ag fine particles are dispersed in a solvent containing no epoxy.
The semiconductor device according to claim 1, wherein a screw hole is formed in the mounting portion.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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- 2010-07-26 JP JP2010166934A patent/JP2012028613A/en active Pending
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