JP2015133396A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高温時に生じる熱応力により半導体チップや基材などが破壊され難い半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置１は、半導体チップ２と、半導体チップ２を積載する基材としてのリードフレーム３と、半導体チップ２とリードフレーム３との間に設けられ、Ｓｎ−Ｓｂ系合金よりなるＰｂフリーはんだで構成された接合材料４とを備える構成である。接合材料４を、熱応力を緩和する応力緩和部４１と、半導体チップ２と応力緩和部４１とを接合する第１接合部４２と、応力緩和部４１とリードフレーム３とを接合する第２接合部４３とを有する構成とする。このため、接合材料４が高い耐熱性を有し、半導体装置１は、２２５℃以上の高温であっても接合特性を維持することができ、高温環境での使用に適するものとなる。【選択図】図１

Description

本発明は、基材と、基材の表面にはんだ接合された半導体チップとを有する半導体装置に関する。

従来、基材と、基材の表面にはんだ接合された半導体チップとを有する半導体装置が知られている。この種の半導体装置として、例えば、特許文献１に記載されている半導体装置が提案されている。この半導体装置は、半導体チップと、半導体チップを積載する基材と、半導体チップと基材との間に設けられ、はんだを有する構成とされた接合材料とを備える構成とされている。すなわち、この半導体装置では、接合材料が単一層として構成されている。ここで、接合材料として使用されるはんだは、Ｐｂ（鉛）を含有する構成とされている。

特公平０５−０６６０２４号公報

近年、ＲｏＨＳ（Restriction of Hazardous Substances）指令にみられるように、Ｐｂなどの有害化学物質の使用を削減する動向がある。以上のことから、半導体装置において、Ｐｂを含有するはんだに代えて、Ｐｂを含有しないはんだ（以下、Ｐｂフリーはんだという）を用いることが検討されている。

また、半導体装置は、自動車に搭載される電子装置に適用される場合等では、高電圧での電流制御や高速動作等の事情から、高温（例えば、２２５℃以上）の環境で使用されることとなる。このような高温環境で使用される半導体装置は、上記のように半導体チップと基材との線膨張係数差に起因して生じる熱応力によって半導体装置を構成する各部（特に、半導体チップ、基材など）が破壊され難い構成とされることが必要となる。

そこで、本発明者は、濡れ性が高く良好な接合特性を得られるＳｎ−Ｓｂ系（錫−アンチモン系）合金に着目し、半導体装置に使用する接合材料としてＳｎ−Ｓｂ系合金で構成されたＰｂフリーはんだを用いることの検討を開始した。

そして、高温環境における使用に耐え得る半導体装置とするために、Ｓｂ（アンチモン）の濃度を高くすることで接合材料の融点を高くできることに着目し、Ｓｂを高濃度としたＳｎ−Ｓｂ系合金のＰｂフリーはんだを用いることを検討した。

ここで、上記検討においては、Ｓｂが高濃度とされたＳｎ−Ｓｂ系合金（例えば、１５重量％のアンチモンを含む合金）のＰｂフリーはんだが、Ｐｂを含有するはんだ等よりも塑性変形し難いことが問題となった。

一般に、Ｐｂフリーはんだは塑性変形し易いため、接合材料としてＰｂフリーはんだを用いた場合、高温となった際にＰｂフリーはんだで構成された接合材料が半導体チップと基材との線膨張係数差に起因して接合材料に生じる熱応力を緩和する。このため、Ｐｂフリーはんだよりなる単一層の接合材料を設けた場合、熱応力によって半導体チップ、基材などが破壊され難い。しかしながら、上記したように、Ｓｂが高濃度とされた高融点のＰｂフリーはんだは、塑性変形し難いため、熱応力を緩和する機能に乏しい。よって、Ｓｂが高濃度とされたＰｂフリーはんだよりなる単一層の接合材料を設けた場合、高温となった際に熱応力によって半導体チップ、基材などが破壊され易い。

本発明は上記点に鑑みて、基材と、基材の表面にはんだ接合された半導体チップとを有する半導体装置において、半導体チップと基材とを接合するための接合材料として、Ｓｂが高濃度とされたＳｎ−Ｓｂ系合金よりなるＰｂフリーはんだを用い、高温時に生じる熱応力により半導体チップや基材などが破壊され難い構成を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、半導体チップ（２）と、半導体チップを積載する基材（３）と、半導体チップと基材との間に設けられ、半導体チップと基材とを接合する接合材料（４）と、を有する構成とされた半導体装置であって、以下の特徴を有する。

すなわち、接合材料が、半導体チップと基材との線膨張係数差に起因して接合材料に生じる熱応力を緩和する部分であって、半導体チップと基材との間に設けられ、金属を主成分とする構成とされた応力緩和部（４１）と、半導体チップと応力緩和部との間に設けられ、半導体チップと応力緩和部とを接合する第１接合部（４２）と、応力緩和部と基材との間に設けられ、応力緩和部と基材とを接合する第２接合部（４３）と、を有する構成とされており、第１接合部および第２接合部の少なくとも一方が、Ｓｎ−Ｓｂ系合金よりなるＰｂフリーはんだで構成されていることを特徴とする。

このため、接合材料のＳｂを高濃度とした場合においても、高温となった際に、応力緩和部が塑性変形して応力緩和効果を発揮することにより、熱応力によって半導体チップや基材などが破壊され難くなる。

なお、この欄および特許請求の範囲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ものである。

本発明の第１実施形態に係る半導体装置の断面構成を示す図である。

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、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る半導体装置１について図１を参照して説明する。半導体装置１は、例えば、自動車に搭載されるＥＣＵ（電子制御ユニット）等の構成要素として適用される。

図１に示すように、半導体装置１は、半導体チップ２と、半導体チップ２を積載する基材としてのリードフレーム３と、半導体チップ２とリードフレーム３との間に設けられ、Ｓｎ−Ｓｂ系合金よりなるＰｂフリーはんだで構成された接合材料４とを備える。接合材料４は、熱応力を緩和する応力緩和部４１と、半導体チップ２と応力緩和部４１とを接合する第１接合部４２と、応力緩和部４１とリードフレーム３とを接合する第２接合部４３とを有する。この熱応力は、高温時において半導体チップ２とリードフレーム３との線膨張係数差に起因して生じる熱応力を指す（以下において単に熱応力という場合も、この熱応力を指すこととする）。

半導体チップ２は、薄板状の半導体基板に半導体素子が実装されたチップである。半導体チップ２を構成する半導体基板は、例えば、Ｓｉ（シリコン）やＳｉＣ（炭化珪素）等の半導体で構成される。半導体基板に実装された半導体素子は、例えば、集積回路、ＭＯＳトランジスタ等のパワー素子、コンデンサ等の受動素子等で構成される。

リードフレーム３は、Ｃｕや４２アロイなどの導電性に優れた金属で構成される部材であり、エッチングやプレスなどにより形成される。図１に示すように、リードフレーム３は、一面３ａを有する板状に形成されており、一面３ａにおいて半導体チップ２を搭載している。

上記したように、接合材料４は、応力緩和部４１、第１接合部４２、および第２接合部４３を有する構成とされている。

応力緩和部４１は、半導体チップ２とリードフレーム３との線膨張係数差に起因して接合材料４に生じる熱応力を緩和する板状部材である。応力緩和部４１は、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｎｉ、およびＢＮ（窒化ホウ素）のうちの少なくとも一つの元素を成分とする材料を主材として構成されている。ここでは、例えば、応力緩和部４１として、Ａｌを主材として構成された板状部材を採用している。使用するＡｌとしては、ここでは一例として、市販されている純Ａｌを採用しているが、１００％のＡｌ以外にも、例えば市販品のレベルで純Ａｌとされたものを採用できる。また、例えば、Ａｌが９９％程度あるいはそれ以上の濃度のものであればよい。

図１に示すように、応力緩和部４１は、第１接合部４２に向けられた一面４１ａと、一面４１ａと反対側において第２接合部４３に向けられた他面４１ｂとを有する構成とされている。なお、ここでは、応力緩和部４１の厚さ（応力緩和部４１のうち一面４１ａから他面４１ｂまでの長さ）が５０μｍ〜２００μｍとされている。

図１に示すように、本実施形態に係る半導体装置１では、応力緩和部４１の一面４１ａと半導体チップ２との間において第１接合部４２が備えられている。第１接合部４２は、Ｓｎを５０重量％以上含有すると共に、１０重量％を超えるＳｂを含有するＳｎ−Ｓｂ系合金よりなるＰｂフリーはんだで構成されている。なお、ここでは、第１接合部４２のヤング率が３０ＧＰａ〜１５０ＧＰａとなる構成とされている。また、第１接合部４２の厚さ（第１接合部４２のうち、半導体チップ２に向けられた面から応力緩和部４１に向けられた面までの長さ）が５μｍ〜１００μｍとされており、第１接合部４２の厚さと応力緩和部４１の厚さの比が、１：１〜１０となる構成とされている。

ここで、第１接合部４２は、第１接合部４２に含有されるＳｂの濃度が高いほど融点が高くなる。例えば、Ｓｂが１０重量％（Ｓｎが９０重量％）の場合は融点が２６７℃、Ｓｂが２５重量％（Ｓｎが７５重量％）の場合は融点が３４５℃、Ｓｂが４０重量％（Ｓｎが６０重量％）の場合は融点が３９５℃となる。すなわち、Ｓｂが１０重量％以上の場合、第１接合部４２の融点はいずれも２２５℃以上となる。

図１に示すように、本実施形態に係る半導体装置１では、応力緩和部４１の他面４１ｂとリードフレーム３との間において第２接合部４３が備えられている。第２接合部４３は、第１接合部４２と同様、Ｓｎを５０重量％以上含有すると共に、１０重量％を超えるＳｂを含有するＰｂフリーはんだで構成される。なお、ここでは、第２接合部４３のヤング率、厚さ（第２接合部４３のうち、応力緩和部４１に向けられた面からリードフレーム３に向けられた面までの長さ）、および、第２接合部４３の厚さと応力緩和部４１の厚さの比についても、第１接合部４２の場合と同等とされている。従って、第２接合部４３の融点についても、第１接合部４２の融点と同等である。

なお、通常、半導体装置１の製造においてはんだ接合を行う際には、接合性を高めるためにワークを加圧する必要がある。しかしながら、本実施形態に係る半導体装置１の第１、２接合部４２、４３は、上記したように、Ｓｎ−Ｓｂ系合金よりなるＰｂフリーはんだで構成されている。よって、Ｓｎ−Ｓｂ系合金よりなるＰｂフリーはんだは濡れ性に優れることから、本実施形態に係る半導体装置１の製造におけるはんだ接合では、加圧しなくても十分な接合性を実現される。

また、本実施形態に係る半導体装置１では、上記したように、第１接合部４２と第２接合部４３とが同一の材料で構成されるため、半導体装置１を製造する際に第１接合部４２および第２接合部４３を一括に形成することができ、製造性に優れる。

なお、第１、２接合部４２、４３は、応力緩和部４１の一面４１ａや他面４１ｂにおいて、めっき、印刷、蒸着、スパッタ、もしくはクラッドなどにより形成される。

また、リードフレーム３の一面３ａや、半導体チップ２のうち応力緩和部４１に向けられた面には、はんだ濡れ性を向上させるためのめっきが施されていることが好ましい。例えば、リードフレーム３の一面３ａにおいて、ＮｉめっきやＡｇめっき等が施され、半導体チップ２にのうち応力緩和部４１に向けられた面において、Ｔｉ−Ｎｉ−Ａｕ等のめっきが施されていることが好ましい。

また、応力緩和部４１のうち、第１接合部４２に向けられた一面４１ａや、一面４１ａと反対側において第２接合部４３に向けられた他面４１ｂにも、はんだ濡れ性を向上させるためのめっきが施されていることが好ましい。例えば、応力緩和部４１の一面４１ａや他面４１ｂにおいて、ＮｉめっきやＡｇめっき等が施され、半導体チップ２にのうち応力緩和部４１に向けられた面において、Ｔｉ−Ｎｉ−Ａｕ等のめっきが施されていることが好ましい。

ここで、本実施形態では、半導体チップ２、リードフレーム３、および第１、２接合部４２、４３よりも優先的に、応力緩和部４１が熱応力によって破壊される（応力緩和部４１にクラックが入る）構成とされている。なお、例えば、半導体チップ２、リードフレーム３、および接合材料４を構成する材料、形状、大きさなどを考慮することで、応力緩和部４１が優先的に破壊されるように設計され得る。このとき、特に、第１、２接合部４２、４３のヤング率、厚さや、第１、２接合部４２、４３の厚さと応力緩和部４１の厚さの比などを考慮することが重要である。ここでは、上記したように、第１、２接合部４２、４３のヤング率を３０ＧＰａ〜１５０ＧＰａとし、第１、２接合部４２、４３の厚さを５μｍ〜１００μｍとし、第１、２接合部４２、４３の厚さと応力緩和部４１の厚さの比を１：１〜１０としている。このような構成とされることで、本実施形態に係る半導体装置１では、半導体チップ２、リードフレーム３、および第１、２接合部４２、４３よりも優先的に、応力緩和部４１が熱応力によって破壊される（応力緩和部４１にクラックが入る）。

これにより、半導体チップ２、リードフレーム３が熱応力によって破壊される前に、応力緩和部４１が塑性変形して応力緩和効果を発揮し易くなり、半導体チップ２、リードフレーム３に生じる熱応力を小さくすることができ、これら２、３が破壊され難くなる。応力緩和部４１にクラックが入ることで、応力緩和部４１（厳密には、応力緩和部４１のうちクラックが入った部分の周辺）に熱応力が集中するからである。

上記で説明したように、本実施形態に係る半導体装置１は、半導体チップ２と、半導体チップ２を積載する基材であるリードフレーム３と、Ｓｎ−Ｓｂ系合金よりなるＰｂフリーはんだで構成された接合材料４とを備える。ここで、接合材料４を、熱応力を緩和する応力緩和部４１と、半導体チップ２と応力緩和部４１とを接合する第１接合部４２と、応力緩和部４１とリードフレーム３とを接合する第２接合部４３とを有する構成とする。

このため、本実施形態に係る半導体装置１は、接合材料４のＳｂを高濃度とした場合においても、高温となった際に、応力緩和部４１が塑性変形して応力緩和効果を発揮することにより、熱応力によって半導体チップ２や基材３などが破壊され難くなる。

また、本実施形態では、特に、第１、２接合部４２、４３を、１０重量％を超えるＳｂを含有し、融点が２２５℃以上となる構成としている。

このため、本実施形態では、接合材料４が高い耐熱性を有し、半導体装置１は、２２５℃以上の高温であっても接合特性を維持することができ、高温環境での使用に適するものとなる。

（他の実施形態）
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。

例えば、第１実施形態では、第１接合部４２および第２接合部４３の両方を、Ｓｎ−Ｓｂ系合金よりなるＰｂフリーはんだで構成していた。しかしながら、第１接合部４２または第２接合部４３のいずれか一方を、Ｓｎ−Ｓｂ系合金を含まないはんだで構成してもよい。すなわち、例えば、第１接合部４２または第２接合部４３のいずれか一方を、Ｓｎ−Ｓｂ系合金以外の金属材料のみよりなるはんだで構成してもよい。

また、第１実施形態では、第１、２接合部４２、４３を、１０重量％を超えるＳｂを含有する構成としていた。これは、第１、２接合部４２、４３を、１０重量％を超えるＳｂを含有する場合、熱応力によって半導体チップ２や基材３などが特に破壊され易いためである。しかしながら、第１実施形態において、第１、２接合部４２、４３を、１０重量％以下のＳｂを含有する構成としてもよい。

２ 半導体チップ
３ リードフレーム
４ 接合材料
４１ 応力緩和部
４２ 第１接合部
４３ 第２接合部

Claims (4)

1. 半導体チップ（２）と、
   前記半導体チップを積載する基材（３）と、
   前記半導体チップと前記基材との間に設けられ、前記半導体チップと前記基材とを接合する接合材料（４）と、を有する構成とされた半導体装置であって、
   前記接合材料が、
   前記半導体チップと前記基材との線膨張係数差に起因して前記接合材料に生じる熱応力を緩和する部分であって、前記半導体チップと前記基材との間に設けられ、金属を主成分とする構成とされた応力緩和部（４１）と、
   前記半導体チップと前記応力緩和部との間に設けられ、前記半導体チップと前記応力緩和部とを接合する第１接合部（４２）と、
   前記応力緩和部と前記基材との間に設けられ、前記応力緩和部と前記基材とを接合する第２接合部（４３）と、を有する構成とされており、
   前記第１接合部および前記第２接合部の少なくとも一方が、Ｓｎ−Ｓｂ系合金よりなるＰｂフリーはんだで構成されていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記第１接合部および前記第２接合部の少なくとも一方が、１０重量％を超えるＳｂを含有するＳｎ−Ｓｂ系合金よりなるＰｂフリーはんだで構成さ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接合部および前記第２接合部が、１０重量％を超えるＳｂを含有するＳｎ−Ｓｂ系合金よりなるＰｂフリーはんだで構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。
4. 前記半導体チップ、前記基材、前記第１接合部、および前記第２接合部よりも優先的に、前記応力緩和部が前記熱応力によって破壊されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の半導体装置。

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