JP2015005571A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】接合部材を介して基板と半導体素子とを接合してなる半導体装置において、半導体チップに発生する熱応力を緩和しつつ、高温環境下であっても接合性および放熱性を適切に確保する。【解決手段】接合部材３０は基板１０の一面１１と半導体チップ２０との間に介在する。半導体チップ２０は、駆動時における発熱により当該チップ内にて温度分布を持ち、半導体チップ２０のうち温度分布における高温部分を第１の部位２３、第１の部位２３以外の残部の低温部分を第２の部位２４とする。接合部材３０は、第１の部位２３の直下に位置する第１の接合部材３１と、第２の部位２４の直下に位置する第２の接合部材３２とにより構成され、第１の接合部材３１は、第２の接合部材３２よりも高融点且つ高熱伝導性であり、第２の接合部材３２は、第１の接合部材３１よりも低融点且つ低弾性である。【選択図】図１

Description

本発明は、基板上に、接合部材を介して、半導体素子を接合してなる半導体装置に関する。

従来より、この種の半導体装置としては、リードフレーム等の基板と、基板の一面上に搭載された半導体よりなる半導体チップと、基板と半導体チップとの間に介在し、当該両部材を接合する接合部材としてのはんだと、を備えた半導体装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

このような半導体装置は、たとえば自動車に搭載される電子装置に適用されるが、高電圧での電流制御や高速動作等の観点から、高温環境下（たとえば２５０℃以上）における使用が求められている。

特開２００１−５５４８６号公報

ところで、半導体チップには、温度サイクル等によって半導体チップと基板との線膨張係数差に起因する熱応力が発生し、この熱応力が大きくなるとダメージを受けるおそれがある。そこで、接合部材には、この熱応力を緩和する弾性を有するものが要望される。

ここで、従来では、接合部材であるはんだとしては、ＳｎＡｇＣｕ等のＰｂフリーはんだが用いられている。しかし、このＰｂフリーはんだは、一般に融点が低く（たとえばＳｎＡｇＣｕはんだの融点は２２３℃付近）、たとえば２５０℃の高温環境下では、半導体チップとリードフレームとの接合性および放熱性を確保することは困難である。

このようなはんだによりも高融点の接合部材としては、Ａｇ焼結体が挙げられるが、このＡｇ焼結体は、はんだに比べて弾性率が高く硬い。そのため、半導体チップに発生する上記熱応力も大きなものとなり、半導体チップのダメージが懸念される。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、接合部材を介して基板と半導体チップとを接合してなる半導体装置において、半導体チップに発生する熱応力を緩和しつつ、高温環境下であっても接合性および放熱性を適切に確保できるようにすることを目的とする。

本発明者は、半導体チップにおいては、駆動時にチップ内に温度分布が生じ、最高温度となる部分を含む高温部分と、それ以外の低温部分とに区別されることに着目した。

このことから、高温部分にて高融点且つ高放熱の接合部材を配置し、低温部分では低融点且つ低弾性の接合部材を配置することで、１つの半導体チップ内にて接合性、放熱性、応力緩和の各機能を発揮させればよいと考え、本発明を創出するに至った。

すなわち、請求項１に記載の発明では、基板（１０）と、基板の一面（１１）上に搭載された半導体チップ（２０）と、基板の一面と半導体チップとの間に介在し、これら両部材を接合する接合部材（３０）と、を備え、
半導体チップは、駆動時における発熱により当該チップ内にて温度分布を持つものであり、半導体チップのうち温度分布において高温となる部分を第１の部位（２３）、第１の部位以外の残部であって第１の部位よりも低温となる部分を第２の部位（２４）としたとき、
接合部材は、第１の部位の直下に位置する第１の接合部材（３１）と、第２の部位の直下に位置し、前記第１の接合部材と連続的に配置された第２の接合部材（３２）とにより構成されており、第１の接合部材は、第２の接合部材よりも高融点且つ高熱伝導性を有するものであり、第２の接合部材は、第１の接合部材よりも低融点且つ低弾性を有するものであることを特徴とする。

それによれば、半導体チップのうち比較的高温となる第１の部位においては、高融点且つ高熱伝導性の第１の接合部材によって、第１の接合部材が溶融せずに接合性および放熱性を確保する。一方、比較的低温となる第２の部位において、低融点且つ低弾性の第２の接合部材によって、上記熱応力を緩和する。

このように本発明によれば、１つの半導体チップ内で接合性、放熱性、応力緩和が確保されるため、半導体チップに発生する熱応力を緩和しつつ、高温環境下であっても接合性および放熱性を適切に確保することができる。

ここで、請求項２に記載の発明のように、請求項１に記載の半導体装置において、基板の一面のうち第１の接合部材と第２の接合部材との境界には、当該一面から接合部材の厚さ方向の途中まで突出し当該境界を規定する突起（１３）が設けられていることが好ましい。

それによれば、第１の接合部材と第２の接合部材とが互いの境界を越えてはみ出すのを極力防止することができ、当該境界を規定しやすい。

また、請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載の半導体装置において、第１の接合部材および第２の接合部材は、ともに金属よりなり、第１の接合部材と第２の接合部材との境界では、これら両接合部材を構成する金属同士の合金よりなる合金部（３０ａ）が形成されていることを特徴とする。

それによれば、両接合部材間の結合が強固になり、当該境界部分の剥離等による隙間の発生が防止されるので、放熱性向上等の点で好ましい。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

（ａ）は本発明の第１実施形態にかかる半導体装置の概略断面図であり、（ｂ）は（ａ）中の上視概略平面図である。 図１（ａ）に示される半導体装置における第１の接合部材と第２の接合部材との境界近傍を拡大して示す図である。 （ａ）は本発明の第２実施形態にかかる半導体装置の概略断面図であり、（ｂ）は（ａ）中の上視概略平面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態にかかる半導体装置について、図１を参照して述べる。この半導体装置は、たとえば自動車などの車両に搭載され、車両用の各種電子装置を駆動するための装置として適用されるものである。なお、図１において、（ａ）では半導体チップ２０の外郭と接合部材３０の外郭とは、ほぼ一致しているが、（ｂ）では、これら両外郭を便宜上ずらして示すことで識別の容易化を図っている。このことは、後述の図３も同様である。

本実施形態の半導体装置は、大きくは、基板１０と、基板１０の一面１１上に搭載された半導体チップ２０と、基板１０の一面１１と半導体チップ２０との間に介在し、これら両部材１０、２０を接合する接合部材３０と、を備えて構成されている。

本実施形態では、基板１０は、Ｃｕや４２アロイ等の金属よりなるリードフレームであり、表裏の板面の一方を一面１１、他方を他面１２とする板状をなす。また、半導体チップ２０は、ＳｉＣやＳｉ等の半導体よりなるチップであり、半導体プロセスにより形成されたものである。

この半導体チップ２０は、表裏の板面の一方を一面２１、他方を他面２２とする板状をなすもので、他面２２を基板１０の一面１１に対向させて、基板１０の一面１１上に搭載されている。そして、ここでは、半導体チップ２０は、中央部に発熱部２０ａを有するものとされている。

この発熱部２０ａは、ＭＯＳトランジスタやＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）等のパワー素子層よりなるもので、半導体チップ２０において駆動時に発熱し最高温度となる部分である。

つまり、この半導体チップ２０は、駆動時における発熱により当該チップ内に温度分布を持つものであり、発熱部２０ａを含むチップの中央部が、当該温度分布において高温となる部分である。ここで、この半導体チップ２０の高温部分を第１の部位２３、この第１の部位２３以外の残部であって第１の部位２３よりも低温となる部分を第２の部位２４とする。

具体的には、図１に示されるように、半導体チップ２０の第１の部位２３は、半導体チップ２０の中央部に位置する円形状の部分であり、半導体チップ２０の第２の部位２４は、この第１の部位２３の周囲に位置する部分である。つまり、本実施形態における半導体チップ２０は、一部が発熱部２０ａとされたものであり、第１の部位２３は発熱部２０ａを含む部分であり、第２の部位２４は発熱部２０ａを含まない部分である。

接合部材３０は、基板１０と半導体チップ２０とを接合するとともに、半導体チップ２０の熱を基板１０に伝熱して基板１０から放熱する機能を有する。ここで、図１に示される例では、基板１０および半導体チップ２０と、接合部材３０との濡れ性を確保する等の点から、接合部材３０が位置する部分において、基板１０の一面１１および半導体チップ２０の他面２２にＡｕめっき４０が施されている。

たとえば、基板１０の一面１１においては、リードフレームを構成するＣｕの上にＮｉめっきを施し、その上にＡｕめっき４０を形成する。一方、半導体チップ２０の他面２２においては、ＳｉＣ等の半導体の上に、Ｔｉ膜、Ｎｉ膜を順次形成し、その上にＡｕめっき４０を形成する。なお、接合部材３０と、基板１０および半導体チップ２０との濡れ性等が確保できるならば、このＡｕめっき４０は省略されてもよい。

そして、本実施形態においては、図１に示されるように、接合部材３０は、第１の部位２３の直下に位置する第１の接合部材３１と、第２の部位２４の直下に位置し第１の接合部材３１と連続的に配置された第２の接合部材３２と、により構成されている。

つまり、図１に示されるように、半導体チップ２０の第１の部位２３と第１の接合部材３１とは平面的に一致し、半導体チップ２０の第２の部位２４と第２の接合部材３２とは、平面的に一致している。言い換えれば、半導体チップ２０において、第１の接合部材３１の直上部分が第１の部位２３であり、第２の接合部材３２の直上部分が第２の部位２４である。

そして、第１の接合部材３１は、第２の接合部材３２よりも高融点且つ高熱伝導性を有するものとされ、第２の接合部材３２は、第１の接合部材３１よりも低融点且つ低弾性を有するものとされている。

限定するものではないが、たとえば第１の接合部材３１としてはＡｇ焼結体が挙げられ、第２の接合部材３２としてはＳｎＡｇＣｕ等のＰｂフリーはんだ等が挙げられる。たとえば、Ａｇ焼結体は、融点が９００℃以上、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ程度、弾性率が５０ＧＰａ以上であり、ＳｎＡｇＣｕはんだは、融点は２２０℃程度、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ程度、弾性率が３０ＧＰａ程度である。

また、図１に示されるように、基板１０の一面１１のうち第１の接合部材３１と第２の接合部材３２との境界には、当該一面１１から接合部材３０の厚さ方向の途中まで突出する突起１３が設けられている。

ここでは、突起１３の配置パターンは、第１の接合部材３１の外郭形状に対応した円形状とされている。この突起１３は、たとえば基板１０としてのリードフレームに対してプレス、切削、エッチング等の加工を施したり、あるいは、リードフレームとは別体の無機材料や有機材料を基板１０の一面１１上に付加したりすることにより形成される。

そして、この突起１３により、第１の接合部材３１と第２の接合部材３２との境界が規定されている。ここでは、突起１３は、突出方向に先窄まりとなった断面Ｖ字の形状をなすが、特に限定するものではない。

また、本実施形態では、第１の接合部材３１および第２の接合部材３２は、ともに金属よりなるものであるが、第１の接合部材３１と第２の接合部材３２との境界では、これら両接合部材３１、３２を構成する金属同士の合金よりなる合金部３０ａが形成されている。

たとえば、第１の接合部材３１がＡｇ焼結体であり、第２の接合部材３２がＳｎＡｇＣｕはんだである場合、合金部３０ａは、ＡｇＳｎ合金よりなる。そして、この合金部３０ａにより、両接合部材３１、３２は隙間なく連続している。

このような半導体装置は次のようにして製造される。まず、突起１３を有する基板１０の一面１１上に、第１の接合部材３１を配置する。たとえば、円形状の突起１３の内側にＡｇ焼結体となるＡｇ粒子を配置する。続いて、基板１０の一面１１上において突起１３の外側に、第２の接合部材３２を、はんだ塗布等の手法により配置する。

その後、第１の接合部材３１および第２の接合部材３２の上に、半導体チップ２０を搭載し、加熱することにより、Ａｇ粒子の焼結やはんだリフローを行う。これにより、接合部材３０を介して基板１０と半導体チップ２０とが接合される。なお、この加熱により、上記の合金部３０ａが形成される。こうして、本実施形態の半導体装置ができあがる。

ところで、本実施形態によれば、半導体チップ２０のうち比較的高温となる第１の部位２３においては、高融点且つ高熱伝導性の第１の接合部材３１によって、第１の接合部材３１が溶融せずに接合性および放熱性を確保する。一方、比較的低温となる第２の部位２４においては、低融点且つ低弾性の第２の接合部材３２によって、半導体チップ２０と基板１０との線膨張係数差に起因する熱応力が緩和される。

このように、本実施形態によれば、１つの半導体チップ２０内で接合性、放熱性、応力緩和が確保されるため、半導体チップ２０に発生する熱応力を緩和しつつ、従来のはんだでは適応しきれない高温環境下であっても接合性および放熱性を適切に確保することができる。

また、本実施形態によれば、基板１０の一面１１のうち第１の接合部材３１と第２の接合部材３２との境界には、当該一面１１から接合部材３０の厚さ方向の途中まで突出する突起１３が設けられている。それによれば、第１の接合部材３１と第２の接合部材３２とが互いの境界を越えてはみ出すのを極力防止できるため、当該境界を規定しやすい。

また、本実施形態では、第１の接合部材３１および第２の接合部材３２を、ともに金属よりなるものとし、これら両接合部材３１、３２の境界では、これら両接合部材３１、３２を構成する金属同士の合金よりなる合金部３０ａが形成されている。それによれば、両接合部材３１、３２間の結合が強固になり、当該境界部分の剥離等による隙間の発生が防止されるので、接合部材３０を介した放熱性を確保する点で有利である。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態にかかる半導体装置について、図３を参照して、上記第１実施形態との相違点を中心に述べる。なお、図３においては、Ａｕめっき４０は省略されているが、この場合でも、Ａｕめっき４０は必要に応じて、接合部材３０が位置する部分において、基板１０の一面１１および半導体チップ２０の他面２２に施されていてもよい。

本実施形態では、半導体チップ２０は、一端側に片寄った部分に発熱部２０ａを有する。これにより、本実施形態の半導体チップ２０においては、発熱部２０ａを含む当該一端側を第１の部位２３とし、当該一端に対向する他端側の残部を第２の部位２４とする。つまり、本実施形態では、第１の部位２３は、半導体チップ２０の中央部に位置するものではない。

この場合も、図３に示されるように、半導体チップ２０の第１の部位２３と第１の接合部材３１とが平面的に一致し、半導体チップ２０の第２の部位２４と第２の接合部材３２とが平面的に一致するように、両接合部材３１、３２が配置されている。そして、突起１３も両接合部材３１、３２の境界に配置されている。

これにより、本実施形態によっても、上記第１実施形態と同様に、１つの半導体チップ２０内で接合性、放熱性、応力緩和が確保されるため、半導体チップ２０に発生する熱応力を緩和しつつ、高温環境下であっても接合性および放熱性を適切に確保することができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態にかかる半導体装置について述べる。第２の接合部材３２については、上記したはんだ等の金属ではなく、エポキシ樹脂等の有機材料より構成するようにしてもよい。

この場合、たとえば、第１の接合部材３１であるＡｇ焼結体で半導体チップ２０を接合した後、いわゆるアンダーフィル樹脂の如く、半導体チップ２０と基板１０との間に第２の接合部材３２であるエポキシ樹脂を充填してやればよい。

（他の実施形態）
なお、第１の接合部材３１と第２の接合部材３２とが互いの境界を越えて多少はみ出すことが許容される場合等には、突起１３は省略された構成であってもよい。

また、第１の接合部材３１が、第２の接合部材３２よりも高融点且つ高熱伝導性を有するものであり、第２の接合部材３２が、第１の接合部材３１よりも低融点且つ低弾性を有するものであるならば、これら両接合部材３１、３２としては上記具体例以外にも、種々のものが適用できる。

また、半導体チップ２０において第１の部位２３は、半導体チップ２０の駆動時の温度分布において高温となる部分であり、第２の部位２４は第１の部位２３以外の低温の残部であればよく、これら第１の部位２３と第２の部位２４との位置関係は、上記各実施形態に限定されるものではない。

また、基板１０は上記したリードフレーム以外にも、セラミック基板やプリント基板等であってもよい。この場合、突起１３は、たとえば半導体チップ２０が接合される導体ランドの一部を、めっき、スパッタ、蒸着、エッチング等により加工することで形成されたものにできる。

また、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能であり、また、上記各実施形態は、上記の図示例に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。

１０ 基板
１１ 基板の一面
１３ 突起
２０ 半導体チップ
２３ 半導体チップの第１の部位
２４ 半導体チップの第２の部位
３０ 接合部材
３１ 接合部材における第１の接合部材
３２ 接合部材における第２の接合部材

Claims (3)

1. 基板（１０）と、
   前記基板の一面（１１）上に搭載された半導体チップ（２０）と、
   前記基板の一面と前記半導体チップとの間に介在し、これら両部材を接合する接合部材（３０）と、を備え、
   前記半導体チップは、駆動時における発熱により当該チップ内にて温度分布を持つものであり、
   前記半導体チップのうち前記温度分布において高温となる部分を第１の部位（２３）、前記第１の部位以外の残部であって前記第１の部位よりも低温となる部分を第２の部位（２４）としたとき、
   前記接合部材は、前記第１の部位の直下に位置する第１の接合部材（３１）と、前記第２の部位の直下に位置し、前記第１の接合部材と連続的に配置された第２の接合部材（３２）とにより構成されており、
   前記第１の接合部材は、前記第２の接合部材よりも高融点且つ高熱伝導性を有するものであり、前記第２の接合部材は、前記第１の接合部材よりも低融点且つ低弾性を有するものであることを特徴とする半導体装置。
2. 前記基板の一面のうち前記第１の接合部材と前記第２の接合部材との境界には、当該一面から前記接合部材の厚さ方向の途中まで突出し当該境界を規定する突起（１３）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記第１の接合部材および前記第２の接合部材は、ともに金属よりなり、前記第１の接合部材と前記第２の接合部材との境界では、これら両接合部材を構成する金属同士の合金よりなる合金部（３０ａ）が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。

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