JP2015037149A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高温動作に対する高い信頼性をもつ半導体装置を提供する。【解決手段】本発明の半導体装置は、半導体チップと、半導体チップが上面側に接合材料で接合されたリードフレームと、半導体チップとリードフレームがモールド樹脂に封止され、半導体チップの下面側に電極を有し、電極はチタン（Ｔｉ）層、アルミニウム（Ａｌ）層、ニッケル（Ｎｉ）層、金（Ａｕ）層で構成され、リードフレームの上面側の表面層を有し、表面層はニッケル（Ｎｉ）層、金（Ａｕ）層で構成され、接合材は金（Ａｕ）−ゲルマニウム（Ｇｅ）合金からなっている。また、チップ接合工程において、真空リフローを用いることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、大電力で動作する半導体チップがモールド樹脂に封止された半導体装置及びその製造方法に関する。

半導体チップが使用される際には、これがリードフレーム上に搭載された構造がモールド樹脂中に封止された形態をもつ半導体装置とされる。ここで、半導体チップの動作時の放熱性を確保するために、リードフレームは熱伝導率の高い材料で構成され、このリードフレームの上面側に半導体チップが搭載され、リードフレームの下面側はモールド樹脂から露出され、リードフレームの下面側から放熱がなされる形態とされる。半導体チップの電極に接続されたリード端子は、モールド層から突出して形成されて電極として使用され、下面側が露出したリードフレーム下面側も電極端子の一つとして使用される。

こうした構成の大電力で動作する半導体装置においては、さまざまな応力が半導体チップに影響をおよぼす。その対策として、半導体チップの裏面に応力補償層が施され、支持部材と硬ろう材から成ると有利である接合層による構成が従来技術として知られている。（例えば、特許文献１参照、図１）これにより、半導体チップと支持部材との熱膨張差により発生する機械的応力を応力補償層により吸収させることができる。

特表平１１−５０９９８８号公報

一般に、半導体チップに形成された半導体素子が大電力で動作する場合には、半導体チップの温度は特に高くなり、放熱板等を介して放熱が効率的に行われた場合でも、動作時の温度が２００℃以上になる場合もある。こうした状況は、半導体チップがワイドバンドギャップ半導体（ＳｉＣ等）で構成された場合のように、大電力動作を前提として設計された場合において特に顕著である。

しかしながら、従来技術は、半導体チップに高融点はんだを使用しての緩衝材に関するものであるが、高温の接合条件のため、電極の拡散溶融(電極喰われ)が発生し、ボイドの発生が懸念されるという課題がある。

従って、本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、高温動作に対する高い信頼性をもつ半導体装置とその製造方法を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するために、本発明は、以下に掲げる構成とした。
本発明の半導体装置は、半導体チップと、半導体チップが上面側に接合材料で接合されたリードフレームと、半導体チップとリードフレームがモールド樹脂に封止され、半導体チップの下面側に電極を有し、電極はチタン（Ｔｉ）層、アルミニウム（Ａｌ）層、ニッケル（Ｎｉ）層、金（Ａｕ）層で構成され、リードフレームの上面側の表面層を有し、表面層はニッケル（Ｎｉ）層、金（Ａｕ）層で構成され、接合材は金（Ａｕ）−ゲルマニウム（Ｇｅ）合金からなることを特徴とするものである。
また、チップ接合工程において、真空リフローを用いることを特徴とする製造方法である。

本発明は、高温の接合条件でも、電極の拡散溶融やボイドが発生しない構造なので、高温動作に対する高い信頼性をもつ半導体装置とその製造方法を提供することができる効果を奏する。

本発明の実施例１に係る半導体装置の概略断面図である。 本発明の実施例１に係る接合部分の概略断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図を参照して詳細に説明する。ただし、本発明は以下の記載に何ら限定されるものではない。

以下、図面を参照して本発明の実施例１に係る半導体装置及びその製造方法を説明する。図１は、本発明の実施例１に係る半導体装置の概略断面図である。

図１に示すように、半導体装置１は、半導体チップ２、接合部材３、リードフレーム４、ワイヤ５、モールド樹脂６からなる一般的な構成をしている。この半導体装置においては、半導体チップ２が熱伝導率の高いリードフレーム４上に搭載された構造がモールド樹脂６中に設けられている。この半導体チップ２は大電力で動作し、リードフレーム４及びその周辺のモールド樹脂６を介して放熱がなされるものの、その動作時の最高温度は２５０℃程度にも達する。

半導体チップ２は、高温動作可能な化合物半導体素子の炭化珪素（ＳｉＣ）で構成され、この中に半導体素子としてショットキーダイオード等が形成されている。ショットキーダイオードの一方の電極は半導体チップ２の上面側で金線等のワイヤ５で接続され、端子に接続され、モールド樹脂６の外部へ導出されている。もう一方の半導体チップ２下面側の電極８は、リードフレーム３の上面側に接続されている。この半導体チップ２を製造する際には、拡散層や電極等からなる半導体素子が大径のＳｉＣウェハにおいて多数形成された後に、ＳｉＣウェハが分割されて個々の半導体チップ２とされる。半導体装置１を製造する際に、半導体チップ２に形成されている半導体素子の劣化等を発生させないためには、半導体チップ２の温度は例えば４００℃以下とする必要がある。

接合材料３は、半導体チップ２とリードフレーム４の間の接合に用いられる。接合材料３の成分としては、その融点が高くかつ硬度（例えばビッカース硬度）も高く設定される。具体的には、金系高温はんだ材料でＡｕ−１２Ｇｅ合金である。例えばＧｅを重量比で１２％程度含み、融点が３５６℃±５℃程度である合金が用いられる。この接合材料３の接合温度・融点は上述の動作時の最高温度（２５０℃）よりも高く設定されるため、半導体装置１の動作時に際して溶融することはなく、半導体チップ２の接合に悪影響が及ぶことは少ない。

リードフレーム４は、熱伝導率の高い銅６又は銅合金で構成される。例えばその厚さは０．５ｍｍ程度とされる。リードフレーム４の上面側は、接合材料３を介して半導体チップ２の下面側に接合される。リードフレーム４の機械的強度は高く、半導体装置１全体を機械的に支持する。また、この半導体装置１が使用される際には、半導体チップ２からの放熱もリードフレーム４を介して半導体装置１の外部側に向かって行われる。

モールド樹脂６は、上述の動作時の最高温度（２５０℃）に対する充分な耐熱性をもつ樹脂材料で構成される。具体的には、エポキシ樹脂や、硬化温度は１５０℃程度であるが、硬化後は３５０℃以上の温度における重量変化が１％以下である変形ポリシロキサン（例えばＡＤＥＫＡ製：商品名ＢＹＸ−００１）等を用いることができる。

図１の構成の半導体装置１において、半導体チップ２を構成するＳｉＣ７、リードフレーム４の主成分であるＣｕ１６、接合材料３の主成分であるＡｕの熱膨張係数（線膨張係数）は、それぞれ４．５ｐｐｍ／Ｋ、１６．８ｐｐｍ／Ｋ、１４．２ｐｐｍ／Ｋ程度である。このため、発熱源となる半導体チップ２側の熱膨張係数は４．５ｐｐｍ／Ｋ、機械的支持基板となるリードフレーム４側の熱膨張係数は１６．８ｐｐｍ／Ｋとなり、大きく異なる。このため、図２に示すように、半導体チップ２とリードフレーム４との間に、これらの中間的な熱膨張係数の半導体チップ２の電極８と、リードフレーム４の表面層１３を設ける。

電極８は、半導体チップ２の下面側に設けられ、構成するＳｉＣ７側から順に、チタン層（Ｔｉ）９、アルミニウム層（Ａｌ）１０、ニッケル層（Ｎｉ）１１、金層（Ａｕ）１２と多層構造なっている。

また、表面層１３は、リードフレーム４の素材の銅６の表面に設けられ、めっき処理が施され、銅６側から順に、ニッケル層（Ｎｉ）１５、金層（Ａｕ）１４の構造になっている。

ここで、Ｃｕ、Ａｕの熱伝導率はそれぞれ３５０、３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度であり、接合材料３とリードフレーム４を介した高い放熱性を得ることができる。

次に、半導体装置１の製造方法を説明する。まず、リードフレーム４の上面側に接合材料３を介して半導体チップ２を接合する（チップ接合工程）。この工程においては、接合材料３をリードフレーム４の上面に例えば前記のＡｕ−１２Ｇｅ合金粉末をペースト状にしたものをスクリーン印刷することによって塗布形成される。その接合材料３の上面に半導体チップ２を積層し、接合材料３の融点（例えば３５６℃）以上の温度に加熱した後に、冷却することによって、半導体チップ２とリードフレーム４が接合材料３の固化によって接合された構造が得られる。

その後、半導体チップ２の上面側の電極（図示せず）とリードフレーム４の一部にワイヤ５により電気的な配線をおこなう（ワイヤボンディング工程）。これにより、半導体装置１におけるモールド樹脂６を除いた構造が得られる。

最後に、半導体チップ２、リードフレーム４、ワイヤ５をモールド樹脂６により樹脂封止する（モールド工程）。モールド樹脂６は、トランスファーモールド金型を用いた手法でエポキシ樹脂を用いる。また、液状の熱硬化性の樹脂材料（例えば上述のＡＤＥＫＡ製：商品名ＢＹＸ−００１等）を半導体チップ２、ワイヤ５を覆うように滴下した後に、硬化温度以上に加熱することによって形成される。これにより、半導体装置１が完成する。

上述の製造方法においては、接合材料３を用いた接合が、チップ接合工程で行われ、接合材料３を加熱する時に、真空状態で加熱するとよい。例えば、常温から約1分間で２２５℃まで上昇させ、約５分間キープさせる。同時に、真空状態をつくり、ピーク温度３６５℃に上昇させ、接合材料３を溶融させた後、冷却する。

このように、半導体装置１は、上述の製造方法によって製造することができる。

次に、上述の実施例１に係る半導体装置１の効果を説明する。

本発明の実施例１に係る半導体装置１は、半導体チップ２の電極８にＴｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕを備えている。また、リードフレーム４の表面層１３にＮｉ、Ａｕを備え、接合材料３にＡｕ−Ｇｅを用いている。これにより、電極８のＡｌにおいて、硬質接合材料の機械的な応力緩衝層とすることが可能である。さらに、金（Ａｕ）の金属拡散のバリア層とすることが可能である。

この際、硬度の低いＡｌ層１０を用いているため、緩衝材となり、冷熱サイクルに際して半導体チップ２に加わる応力が分散され、緩和される。また、半導体チップ２側の変形が抑制され、半導体チップ２に加わる応力による悪影響が抑制される。上述の通り、接合材料３は動作時に溶融することはなく、更に、上述の多層構造の電極８によって、接合材料３に加わる応力も低減される。このため、動作温度が２５０℃となる場合においても、冷熱サイクルに対する高い信頼性を得ることができる。

また、半導体チップ２の電極８の最表面とリードフレーム４の表面層１３の最表面において、金（Ａｕ）を施しているので、Ａｕ系接合材料３のＡｕの初晶（Ａｕの編析）を防ぐことが可能である。

以上より、図１の構成の半導体装置１においては、電極の拡散溶融(電極喰われ)がなく、高温動作時に対する高い信頼性が得られる。

また、真空リフロー装置を用いて製造するので、 接合部材のボイド発生に対して、ボイドを減少することができる。本発明の試作検証ではボイド率５０％から８％へ減少している。これにより、ボイドの少ない接合が可能であり、高温時にも接合部材が剥がれることがない。

以上の製造方法により、半導体装置１を容易かつ高い信頼性で製造することができる。

上述のように、本発明を実施するための形態を記載したが、この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例が可能であることが明らかになるはずである。

図１のようにリードフレーム下面側をモールド樹脂から露出（ハーフモールド）させたが、リードフレーム下面側をモールド樹脂で覆ってもよい（フルモールド）。これにより、絶縁性の高い半導体装置とすることができる。

また、リードフレームを銅又は銅合金としたが、アルミニウム又はアルミニウム合金であってもよい。ただし、その表面には、接合材料やワイヤが接合可能なように、各種めっき処理が施されていることが好ましい。また、リードフレームに絶縁シート等を介して放熱板を接合することも可能である。これらにより、さらに放熱性を向上させることができる。

また、半導体チップをＳｉＣで構成されたものとしたが、同様に大電力で動作する半導体素子が形成され、金属で構成された基体との間の熱膨張係数の差が大きなチップであれば、他の材料で構成されたチップを用いた場合であっても、上記の構成が有効であることは明らかである。例えば、半導体チップを、窒化ガリウム（ＧａＮ）、シリコン（Ｓｉ）等で構成することもできる。これに応じて、半導体チップに形成される半導体素子も、適宜設定される。

また、上述の例では、単一チップの半導体装置としたが、リードフレームの上に複数の半導体チップが搭載されていてもよい。ＳｉＣとＧａＮとの組み合わせでもよい。また、独立した複数のリードフレームが用いられていてもよく、この際、リードフレームの構成が各々で異なっていてもよいことは明らかであり、例えば搭載する半導体チップの発熱量等に応じてリードフレームの構成を異ならせることもできる。すなわち、半導体モジュール内における基板や半導体チップの構成は、上述の効果を奏する限りにおいて適宜設定することができる。

１、半導体装置
２、半導体チップ
３、接合材料
４、リードフレーム
５、ワイヤ
６、モールド樹脂
７、ＳｉＣ
８、電極
９、Ｔｉ
１０、Ａｌ
１１、Ｎｉ
１２、Ａｕ
１３、表面層
１４、Ａｕ
１５、Ｎｉ
１６、Ｃｕ

Claims (4)

1. 半導体チップと、前記半導体チップが上面側に接合材料で接合されたリードフレームと、前記半導体チップと前記リードフレームがモールド樹脂に封止された半導体装置において、前記半導体チップの下面側に電極を有し、前記電極はチタン層、アルミニウム層、ニッケル層、金層で構成され、前記リードフレームの上面側の表面層を有し、前記表面層はニッケル層、金層で構成され、前記接合材は金（Ａｕ）−ゲルマニウム（Ｇｅ）合金からなることを特徴とする半導体装置。
   
2. 前記半導体チップは窒化珪素（ＳｉＣ）で構成されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
   
3. 前記リードフレームは銅又は銅合金を主成分として構成された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. 前記接合材料を用いて前記半導体チップを前記リードフレームに接合するチップ接合工程において、前記チップ接合工程は、真空リフローを用いることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。

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