JP2015056646A - 半導体装置及び半導体モジュール - Google Patents
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- H01L2224/05663—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
- H01L2224/05671—Chromium [Cr] as principal constituent
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- H01L2224/29101—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
- H01L2224/29111—Tin [Sn] as principal constituent
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- H01L2224/29338—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
- H01L2224/29339—Silver [Ag] as principal constituent
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- H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
- H01L2224/3201—Structure
- H01L2224/32012—Structure relative to the bonding area, e.g. bond pad
- H01L2224/32013—Structure relative to the bonding area, e.g. bond pad the layer connector being larger than the bonding area, e.g. bond pad
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- H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
- H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
- H01L2224/321—Disposition
- H01L2224/32151—Disposition 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
- H01L2224/32221—Disposition 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
- H01L2224/32225—Disposition 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
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- H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
- H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
- H01L2224/4805—Shape
- H01L2224/4809—Loop shape
- H01L2224/48091—Arched
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- H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
- H01L2224/481—Disposition
- H01L2224/48151—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
- H01L2224/48221—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
- H01L2224/48225—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
- H01L2224/48227—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 connecting the wire to a bond pad of the item
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- H01L2224/491—Disposition
- H01L2224/4911—Disposition the connectors being bonded to at least one common bonding area, e.g. daisy chain
- H01L2224/49111—Disposition the connectors being bonded to at least one common bonding area, e.g. daisy chain the connectors connecting two common bonding areas, e.g. Litz or braid wires
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- H01L2224/49—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of a plurality of wire connectors
- H01L2224/491—Disposition
- H01L2224/4912—Layout
- H01L2224/49175—Parallel arrangements
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- H01L2224/73—Means 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
- H01L2224/732—Location after the connecting process
- H01L2224/73251—Location after the connecting process on different surfaces
- H01L2224/73265—Layer and wire connectors
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- H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
- H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
- H01L2224/8338—Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
- H01L2224/83399—Material
- H01L2224/834—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/83438—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
- H01L2224/83447—Copper [Cu] as principal constituent
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- H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
- H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
- H01L2224/8338—Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
- H01L2224/83399—Material
- H01L2224/834—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/83438—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
- H01L2224/8346—Iron [Fe] as principal constituent
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- H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
- H01L2224/838—Bonding techniques
- H01L2224/8384—Sintering
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- H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
- H01L23/16—Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations, e.g. centering rings
- H01L23/18—Fillings characterised by the material, its physical or chemical properties, or its arrangement within the complete device
- H01L23/24—Fillings characterised by the material, its physical or chemical properties, or its arrangement within the complete device solid or gel at the normal operating temperature of the device
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- H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
- H01L24/01—Means 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
- H01L24/02—Bonding areas ; Manufacturing methods related thereto
- H01L24/03—Manufacturing methods
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- H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L24/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
- H01L24/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
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- H01L24/01—Means 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
- H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L24/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
- H01L24/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
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- H01L24/01—Means 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
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- H01L24/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
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- H01L24/01—Means 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
- H01L24/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
- H01L24/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
- H01L24/49—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of a plurality of wire connectors
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- H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
- H01L24/73—Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L24/10, H01L24/18, H01L24/26, H01L24/34, H01L24/42, H01L24/50, H01L24/63, H01L24/71
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- H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
- H01L25/03—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes
- H01L25/04—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers
- H01L25/07—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00
- H01L25/072—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00 the devices being arranged next to each other
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Abstract
【課題】半導体素子と基板との接合部の信頼性を向上させることができる半導体装置及び半導体モジュールを提供すること。【解決手段】実施形態に係る半導体装置は、半導体素子と、金属膜と、を含む。前記半導体素子は、第1面及び第1面とは反対側の第2面を有する。前記金属膜は、前記半導体素子の前記第2面に設けられる。前記金属膜は、Crを含む。前記半導体素子は、Siの動作保証温度よりも高い動作保証温度の材料を含んでいても良い。【選択図】図1
Description
本発明の実施形態は、半導体装置及び半導体モジュールに関する。
半導体素子を基板上にマウントするには、はんだ等の接合材を用いて両者を接続している。このような半導体素子がパッケージ内に収納された半導体モジュールに、冷熱サイクルやパワーサイクル等の負荷を長時間与えた場合、接合部に亀裂が発生する可能性がある。亀裂が進展すると、接合部の破断が発生し、温度抵抗の上昇による接合部の溶融など、故障の原因となる。半導体装置及び半導体モジュールにおいては、信頼性の向上が重要である。
本発明の実施形態は、信頼性を向上させることができる半導体装置及び半導体モジュールを提供する。
実施形態に係る半導体装置は、半導体素子と、金属膜と、を含む。
前記半導体素子は、第1面及び第1面とは反対側の第2面を有する。
前記金属膜は、前記半導体素子の前記第2面に設けられる。前記金属膜は、Crを含む。
前記半導体素子は、第1面及び第1面とは反対側の第2面を有する。
前記金属膜は、前記半導体素子の前記第2面に設けられる。前記金属膜は、Crを含む。
以下、本発明の実施形態を図に基づき説明する。以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。
(第1の実施形態)
図1(a)及び図1(b)は、第1の実施形態に係る半導体装置の構成を例示する模式的断面図である。
図1(a)には、半導体装置110の全体の断面図が表される。図1(b)には、半導体装置110の金属膜20の拡大断面図が表される。
図1(a)に表したように、本実施形態に係る半導体装置110は、半導体素子10と、金属膜20と、を備える。
図1(a)及び図1(b)は、第1の実施形態に係る半導体装置の構成を例示する模式的断面図である。
図1(a)には、半導体装置110の全体の断面図が表される。図1(b)には、半導体装置110の金属膜20の拡大断面図が表される。
図1(a)に表したように、本実施形態に係る半導体装置110は、半導体素子10と、金属膜20と、を備える。
半導体素子10は、半導体材料に所定の不純物注入プロセスやフォトリソグラフィプロセスなどによって形成された素子領域を含む。素子領域は、トランジスタやダイオード等の能動素子であったり、抵抗やコンデンサ等の受動素子である。半導体素子10は、半導体材料を含むウェーハ等を矩形に切り出したチップ形状になっている。半導体素子10は、第1面10aと、第1面10aとは反対側の第2面10bと、を有する。第1面10aは、例えば半導体素子10の表面であり、第2面10bは、例えば半導体素子10の裏面である。
金属膜20は、半導体素子10の第2面10bに設けられる。金属膜20は、第2面10bと接する。金属膜20は、第1膜21−1を少なくとも含む。図1(b)に表したように、第1膜21−1は、金属膜20の最表面20a側に設けられる。半導体装置110において、最表面20aはクロム(Cr)を含む。本実施形態では、第1膜21−1として、実質的に純CrまたはCrを含む金属(合金)が用いられる。実質的に純Crには、意図せず不純物が混入したCrを含む。
金属膜20は、第1膜21−1のみの単層膜であってもよい。また、金属膜20は、多層膜であってもよい。
図1(b)に表したように、金属膜20としてn(nは2以上の整数)層の多層膜である場合、金属膜20は、第1膜21−1〜第n膜21−nを有する。n層の多層膜のうち、最も半導体素子10の第2面10bから離れた膜を第1膜21−1とする。第1膜21−1から第2面10bに向けて、順に第2膜21−2、第3膜21−3、…とする。第2面10bに接する膜は第n膜21−nである。
金属膜20がn層の多層膜である場合、第2膜21−2〜第n膜21−nのうち少なくとも1つは、チタン(Ti)、アルミニウム(Al)、金(Au)、錫(Sn)、ニッケル(Ni)、銀(Ag)によりなる群から選択された少なくとも1つを含む。
金属膜20の具体例を示す。
n=2、すなわち2層の多層膜の例を示す。
第2膜21−2はAu、第1膜21−1はCrである。
n=3、すなわち3層の多層膜の例を示す。
第3膜21−3はTi、第2膜21−2はAu、第1膜21−1はCrである。
n=4、すなわち4層の多層膜の例を示す。
第4膜21−4はAl、第3膜21−3はTi、第2膜21−2はAu、第1膜21−1はCrである。
n=4、すなわち4層の多層膜の他の例を示す。
第4膜21−4はAl、第3膜21−3はTi、第2膜21−2はSn、第1膜21−1はCrである。
n=2、すなわち2層の多層膜の例を示す。
第2膜21−2はAu、第1膜21−1はCrである。
n=3、すなわち3層の多層膜の例を示す。
第3膜21−3はTi、第2膜21−2はAu、第1膜21−1はCrである。
n=4、すなわち4層の多層膜の例を示す。
第4膜21−4はAl、第3膜21−3はTi、第2膜21−2はAu、第1膜21−1はCrである。
n=4、すなわち4層の多層膜の他の例を示す。
第4膜21−4はAl、第3膜21−3はTi、第2膜21−2はSn、第1膜21−1はCrである。
Crを含む第1膜21−1の厚さは、例えば500ナノメートル(nm)以上750nm以下程度である。
金属膜20は、例えば真空蒸着、スパッタ、イオンプレーティング、電気めっきによって形成される。第1膜21−1としてCrを用いる場合、表面の酸化を抑制するため、減圧環境下でのドライ製法によって形成することが望ましい。
図2は、半導体装置110の実装状態を例示する模式的断面図である。
図2に表したように、半導体装置110は、基板50の上に実装される。基板50は、支持部51と、導体パターン52と、を有する。支持部51には、例えばセラミックスが用いられる。導体パターン52には、例えば銅(Cu)が用いられる。
図2に表したように、半導体装置110は、基板50の上に実装される。基板50は、支持部51と、導体パターン52と、を有する。支持部51には、例えばセラミックスが用いられる。導体パターン52には、例えば銅(Cu)が用いられる。
半導体装置110は、接合材60を介して基板50の導体パターン52に接合される。接合材60には、例えば錫(Sn)を含むはんだが用いられる。
例えば、半導体装置110の稼働時に半導体素子10に通電されると、半導体素子10の温度が上昇する。一方、半導体装置110の稼働が停止されると、半導体素子10の温度は低下する。半導体装置110の稼働及び停止を繰り返すと、接合材60であるはんだにひずみが発生する。そして、はんだの再結晶化によって亀裂が発生、さらに進展する。
また、別の要因として、半導体装置110の周囲に樹脂モールドが設けられている場合、このモールド部分が、放熱用ベース板基板より剥離する可能性がある。これにより、全体の拘束がなくなり、そのために、はんだ等の接合に亀裂が発生し、進展する可能性がある。
半導体装置110の熱は、接合部だけではなく、その下の構成材料である基板50の導体パターン52や支持部51にも伝わる。Cuは、高温で使用されたり、熱抵抗の上昇により発熱が生じた場合は、軟化する場合がある。この軟化はCuの温度が再結晶温度以上に上昇した場合に生じる。
半導体装置110において、半導体素子10には、Siの素子の動作が保証される最も高い温度(動作保証温度)よりも高い動作保証温度の材料が用いられる。例えば、半導体素子10の材料は、例えばSiC及びGaNのうちいずれか1つを含む。SiC、GaN等のパワーモジュールに使用される材料は、非常に高温で使用されることが期待される。例えば、Siでは、使用温度領域として175℃が限界であったが、SiCやGaNにおいては、200℃や250℃を超える温度領域での使用が可能である。
このような高温で使用される半導体装置110において、最表面20aにCrを含む第1膜21−1を有する金属膜20を用いることで、金属膜20の消失が効果的に抑制される。
接合材60を介して半導体装置110と基板50とを接合した場合の接合部の信頼性は、冷熱サイクル、パワーサイクル、恒温試験などによって検証される。接合部に負荷をかけた場合、接合材60に亀裂が発生し、さらに負荷が続くと、その亀裂が進展する場合がある。
図3は、恒温試験による金属膜の厚さの変化を例示する図である。
図3の横軸は時間、縦軸は金属膜の厚さである。図3に示すラインL1には、本実施形態に係る半導体装置110で適用される金属膜20の厚さが表され、ラインL2には、最表面にNiを含む金属膜を用いた場合の金属膜の厚さが表される。この恒温試験では、200℃の恒温槽にサンプルを2000時間放置した場合の金属膜の厚さの変化を測定している。
図3の横軸は時間、縦軸は金属膜の厚さである。図3に示すラインL1には、本実施形態に係る半導体装置110で適用される金属膜20の厚さが表され、ラインL2には、最表面にNiを含む金属膜を用いた場合の金属膜の厚さが表される。この恒温試験では、200℃の恒温槽にサンプルを2000時間放置した場合の金属膜の厚さの変化を測定している。
図3のラインL1に表したように、本実施形態に係る半導体装置110で適用される金属膜20では、ラインL2よりも金属膜20の厚さの減少が抑制されていることが分かる。すなわち、ラインL2に表したように、Niを含む金属膜を用いた場合には、金属膜の厚さが徐々に減少している。一方、ラインL1に表したように、Crを含む金属膜20を用いた場合には、金属膜20の厚さはあまり減少していない。
Niを含む金属膜を用いた場合、接合材60に含まれるSnがNiと化合物を構成し、拡散して消失しているためである。金属膜のNiが消失すると、金属膜の変形によって亀裂が発生しやすくなり、接合部分での信頼性の低下を招く。これに対し、Crを含む金属膜20を用いた場合には、接合材60に含まれるSnはCrと化合物を構成しにくいため、消失による金属膜20の厚さの減少が抑制される。金属膜20の厚さの減少が抑制されると、半導体装置110の接合部での信頼性が向上する。
このように、本実施形態に係る半導体装置110では、例えば200℃以上の温度が加わっても、金属膜20の厚さを維持することができる。したがって、半導体装置110を基板50に実装して用いる場合の高温での長期使用において信頼性を向上させることができる。
なお、本実施形態では、金属膜20の最表面20aに含まれる材料としてCrを示したが、接合材60の材料との間で化合物を構成しない、または化合物を構成し難い材料であれば、Cr以外であってもよい。また、金属膜20の最表面20aに含まれる材料としては、Siの動作保証温度よりも高い温度を与えた場合でも、消失しない、または消失し難い材料であってもよい。
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態に係る半導体モジュールについて説明する。
図4は、第2の実施形態に係る半導体モジュールの構成を例示する模式的断面図である。
図5は、半導体モジュール内の実装状態を例示する模式的平面図である。
次に、第2の実施形態に係る半導体モジュールについて説明する。
図4は、第2の実施形態に係る半導体モジュールの構成を例示する模式的断面図である。
図5は、半導体モジュール内の実装状態を例示する模式的平面図である。
図4に表したように、半導体モジュール210は、半導体装置110と、基板50と、接合材60と、を備える。図4に表した例では、半導体モジュール210は、さらに、ベース板70と、ヒートシンク80と、ケース90と、を備える。
第1の実施形態で説明したように、半導体装置110は、半導体素子10と、金属膜20と、を有する。半導体装置110は、基板50の上に実装される。接合材60は、半導体装置110の金属膜20と、基板50の導体パターン52との間に設けられる。
図4には、半導体モジュール210内に1つの半導体装置110が表されているが、複数の半導体装置110を含んでいてもよい。例えば、図5に表した例では、半導体モジュール210内に、半導体装置110として、複数の半導体装置CP11、CP12、CP21、CP22、CP31、CP32、CP41及びCP42が設けられている。
さらに、図5に表した例では、2つの半導体装置110ごとに1つの基板50に実装されている。すなわち、図5に表した例では、4つの基板50が設けられ、各基板50に2つの半導体装置110が実装される。
例えば、半導体装置CP12、CP22、CP32及びCP42は、電力用トランジスタ(例えば、IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)である。また、例えば、半導体装置CP11、CP21、CP31及びCP41は、電力用ダイオード(例えば、FRD:Fast Recovery Diode)である。
半導体装置CP11、CP12、CP21、CP22、CP31、CP32、CP41及びCP42のそれぞれは、導体パターン52とボンディングワイヤ93を介して電気的に接続される。
各基板50には、例えばゲートである端子T1と、コレクタである端子T2と、エミッタである端子T3と、が設けられる。これらの半導体装置CP11、CP12、CP21、CP22、CP31、CP32、CP41及びCP42によって、インバータ等の所定の回路が構成される。
図4に表したように、基板50は、ベース板70の上に実装される。基板50の支持部51の裏面には導体膜53が設けられる。基板50の導体膜53は、はんだ等の接合材65を介してベース板70の上に接合される。
ベース板70の下面には、ヒートシンク80が設けられていてもよい。ヒートシンク80は、ベース板70の下面に例えばサーマルグリース75を介して接続される。
ベース板70の上において、基板50、半導体装置110及びボンディングワイヤ93は、ケース90によって囲まれる。ケース90内には、保護及び放熱用のゲル95が充填されていてもよい。
このような半導体モジュール210においては、半導体装置110が高温になった場合でも、半導体装置110と基板50との接合部の高い信頼性を維持することができる。特に、図5に表したように、半導体モジュール210内に複数の半導体装置110が設けられている場合には、ケース90内の温度が高くなりやすい。複数の半導体装置110を含む半導体モジュール210であっても、十分な信頼性が確保される。
次に、中間層40について説明する。
図6(a)及び図6(b)は、中間層を例示する図である。
図6(a)には、中間層40の配置例を示す模式的断面図が表される。図6(b)には、図6(a)のA部における組織の状態を例示する模式的断面図が表される。
半導体モジュール210は、中間層40を備えていてもよい。
図6(a)及び図6(b)は、中間層を例示する図である。
図6(a)には、中間層40の配置例を示す模式的断面図が表される。図6(b)には、図6(a)のA部における組織の状態を例示する模式的断面図が表される。
半導体モジュール210は、中間層40を備えていてもよい。
図6(a)に表したように、中間層40は、金属膜20の第1膜21−1と、基板50の導体パターン52と、の間に設けられる。中間層40は、導体パターン52の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する。中間層40は、第1膜21−1と、導体パターン52との間であれば、どこに配置されていてもよい。導体パターン52としてCuが用いられている場合、中間層40には、例えばステンレスが用いられる。中間層40の厚さは、約10マイクロメートル(μm)である。
中間層40を設けることで、半導体素子10から金属膜20及び接合材60を介して導体パターン52に伝わる熱の遮蔽性が、中間層40を設けない場合に比べて高まる。これにより、基板50を介して外部に放出されにくくなる。したがって、例えば、基板50の外側であって、ケース90の内側にある部材(例えば、ゲル95)を熱による影響から保護することができるようになる。中間層40を設ける場合、熱が遮断され、半導体素子10の温度が上昇するため、金属膜20にはCrを含むことが望ましい。これにより、上記説明したように、金属膜20の厚さの減少が少なくなり、亀裂発生が抑制される。
なお、本実施形態では、半導体素子10の材料として、SiCやGaNなど高温動作可能な材料を用いている。したがって、中間層40を設けて基板50側への熱の伝導性が低くなっても半導体素子10の動作には影響を与えない。
このような中間層40を備えた半導体モジュール210について、通電/非通電によって半導体素子10を100℃と200℃との間で温度上昇、温度下降させるサイクルを50000サイクル行うと、導体パターン52は、図6(b)に表したような組織になる。導体パターン52には、Cuが用いられる。
図7(a)及び(b)は、参考例について示す図である。
図7(a)には、中間層40を備えていない配置例を示す模式的断面図が表される。図7(b)には、図7(a)のB部における組織の状態を例示する模式的断面図が表される。参考例について、上記と同様な温度上昇、温度下降のサイクルを50000サイクル行うと、導体パターン52は、図7(b)に表したような組織になる。
図7(a)には、中間層40を備えていない配置例を示す模式的断面図が表される。図7(b)には、図7(a)のB部における組織の状態を例示する模式的断面図が表される。参考例について、上記と同様な温度上昇、温度下降のサイクルを50000サイクル行うと、導体パターン52は、図7(b)に表したような組織になる。
図6(b)に表したように、中間層40を備えた例では、導体パターン52のCuにおける初期の結晶粒が残っており、熱サイクルの影響をほとんど受けていないことが分かる。一方、図7(b)に表したように、中間層40を備えていない参考例では、導体パターン52のCuにおける結晶粒が図6(b)の結晶粒に比べて大きく成長していることが分かる。
中間層40を備えた例では、接合材60の亀裂進展率は、約15%である。一方、中間層40を備えていない例では、接合材60の亀裂進展率は、約85%である。ここで、亀裂進展率は、半導体装置110と基板50とを接合する接合材60の接合長さに対する亀裂の長さの比率である。
このように、中間層40を設けることで、導体パターン52の組成変化が抑制され、半導体モジュール210の長期使用における高い信頼性が得られる。
図8(a)及び図8(b)は、中間層の構成を例示する模式的断面図である。
図8(a)に表した中間層40Aは、中間部材41と、外側部材42と、を含む。中間層40Aは、中間部材41を2枚の外側部材42で挟んだ構造を有する。中間部材41には、例えば厚さ約10μmのステンレスが用いられる。外側部材42には、例えば厚さ約10μmのNiが用いられる。ステンレスの表面には酸化膜が形成されるため、ステンレスによる中間部材41を、Niの外側部材42で挟む構造を採用する。これにより、使用時の層間での剥離が抑制される。
図8(a)に表した中間層40Aは、中間部材41と、外側部材42と、を含む。中間層40Aは、中間部材41を2枚の外側部材42で挟んだ構造を有する。中間部材41には、例えば厚さ約10μmのステンレスが用いられる。外側部材42には、例えば厚さ約10μmのNiが用いられる。ステンレスの表面には酸化膜が形成されるため、ステンレスによる中間部材41を、Niの外側部材42で挟む構造を採用する。これにより、使用時の層間での剥離が抑制される。
図8(b)に表した中間層40Bは、中間部材41Bと、外側部材42と、を含む。中間層40Bは、中間部材41Bを2枚の外側部材42で挟んだ構造を有する。中間部材41Bは、図8(a)に表した中間部材41の一部に中空部43を設けた構成を有する。中間部材41Bは、例えばステンレス箔に複数の孔を設けたものである。この孔が中空部43になる。中間層40Bのように、内部に中空部43を有する構造では、中空部43によって熱が効果的に遮断される。
このような中間層40A及び40Bを用いることで、さらなる信頼性の高い半導体モジュール210が得られる。
なお、中間層40、40A及び40Bを用いた半導体モジュール210では、金属膜20の最表面20a側に含まれる材料として、Cr以外の材料(例えば、Ni、Ag)が用いられてもよい。
以上説明したように、実施形態によれば、信頼性を向上した半導体装置及び半導体モジュールを提供することができる。
なお、上記に本実施形態を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。例えば、前述の各実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものや、各実施形態の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含有される。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
10…半導体素子、10a…第1面、10b…第2面、20…金属膜、20a…最表面、21−1…第1膜、40,40A,40B…中間層、41,41B…中間部材、42…外側部材、43…中空部、50…基板、51…支持部、52…導体パターン、53…導体膜、60…接合材、65…接合材、70…ベース板、75…サーマルグリース、80…ヒートシンク、90…ケース、93…ボンディングワイヤ、95…ゲル、110…半導体装置、210…半導体モジュール
Claims (15)
- 第1面及び第1面とは反対側の第2面を有する半導体素子と、
前記半導体素子の前記第2面に設けられ、Crを含む金属膜と、
を備えた半導体装置。 - 前記半導体素子は、Siの動作保証温度よりも高い動作保証温度の材料を含む請求項1記載の半導体装置。
- 前記材料は、SiC及びGaNのうちいずれか1つを含む請求項2記載の半導体装置。
- 前記金属膜は、最表面側に設けられCrを含む第1膜と、前記第1膜と前記第2面との間に設けられた第2膜と、を有する請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体装置。
- 前記第2膜は、Ti、Al、Au、Sn、Ni、Agによりなる群から選択された少なくとも1つを含む請求項4記載の半導体装置。
- 第1面及び第1面とは反対側の第2面を有する半導体素子と、前記半導体素子の前記第2面に設けられ、Crを含む金属膜と、を含む半導体装置と、
導体パターンを有する基板と、
前記金属膜と前記導体パターンとの間に設けれた接合材と、
を備えた半導体モジュール。 - 前記導体パターンは、Cuを含む請求項6記載の半導体モジュール。
- 前記接合材は、Snを含む請求項6または7に記載の半導体モジュール。
- 前記金属膜と、前記導体パターンと、の間に設けられ前記導体パターンの熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する中間層をさらに備えた請求項6〜8のいずれか1つに記載の半導体モジュール。
- 前記中間層は、ステンレスを含む請求項9記載の半導体モジュール。
- 前記中間層の一部に中空部が設けられた請求項9記載の半導体モジュール。
- 前記半導体素子は、Siの動作保証温度よりも高い動作保証温度の材料を含む請求項6〜11のいずれか1つに記載の半導体モジュール。
- 前記材料は、SiC及びGaNのうちいずれか1つを含む請求項6〜12のうちいずれか1つに記載の半導体モジュール。
- 前記金属膜は、最表面側に設けられCrを含む第1膜と、前記第1膜と前記第2面との間に設けられた第2膜と、を有する請求項6〜13のいずれか1つに記載の半導体モジュール。
- 前記第2膜は、Ti、Al、Au、Sn、Ni、Agによりなる群から選択された少なくとも1つを含む請求項14記載の半導体モジュール。
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