JP2015144228A - semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、基板上に接合層を介して半導体素子が接合される半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device in which a semiconductor element is bonded to a substrate via a bonding layer.
近年、この種の半導体装置においては半導体の使用温度レベルが高くなってきており、熱に対する耐性を考慮した装置設計が望まれている。具体的に説明すると、基板と半導体素子との接合界面に高い熱応力が生じると接合界面に剥離やクラックが発生する要因に成り得るため、この問題を解決するべく熱応力を緩和する種々の技術開発がなされている。 In recent years, in this type of semiconductor device, the operating temperature level of the semiconductor has increased, and there is a demand for device design that takes heat resistance into consideration. Specifically, since a high thermal stress at the bonding interface between the substrate and the semiconductor element may cause peeling or cracking at the bonding interface, various techniques for relaxing the thermal stress to solve this problem Development is in progress.
従来、基板と半導体素子との接合界面における熱応力緩和性に着目した技術の一例として、例えば下記特許文献1から3に開示の半導体装置が知られている。特許文献1,2に開示の半導体装置は、熱応力が集中する接合材層に応力緩和部材や中間材を挟み込んだ状態で基板に半導体素子が接合されるように構成されている。特許文献3に開示の半導体装置は、基板と半導体素子との間に熱可塑性接合層を介装し、この熱可塑性接合層の一部を温度制御によって液層化(軟化)させるように構成されている。
Conventionally, as an example of a technique focusing on thermal stress relaxation at a bonding interface between a substrate and a semiconductor element, for example, semiconductor devices disclosed in
(発明が解決しようとする課題)
特許文献1,2に開示の半導体装置は、基板と半導体素子との接合界面に、これら基板及び半導体素子とは別の部材である応力緩和部材や中間材を介装させる構成であるため、構造や製造工程が複雑化して製造コストが高くなるという問題を抱えている。また、これらの半導体装置では、接合材層が多層化するため、各層間での接合状態が良好でない場合には欠陥発生の発生によって接合強度が低下するという虞がある。特許文献3に開示の半導体装置は、熱可塑性接合層の温度を制御するための温度センサ及び制御機構を含む大掛かりなシステムを必要とするため、構造が複雑化して製造コストが高くなるという問題を抱えている。また、この半導体装置では、接合材層に複数の接合材料が介在するため、各接合材料間での物性値(融点、線膨張率)の相違によるボイドや隙間の発生によって接合強度が低下するという虞がある。
(Problems to be solved by the invention)
Since the semiconductor device disclosed in
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的の1つは、基板上に接合層を介して半導体素子が接合される半導体装置において、接合層に生じる熱応力を簡単な構造によって緩和するのに有効な技術を提供することである。 The present invention has been made in view of the above points, and one of its purposes is to simplify thermal stress generated in a bonding layer in a semiconductor device in which a semiconductor element is bonded to a substrate via a bonding layer. It is to provide an effective technique to alleviate the structure.
(課題を解決するための手段)
上記目的を達成するため、本発明に係る半導体装置は、基板と、接合材料のみからなる接合層を介して基板に接合された半導体素子(「半導体チップ」ともいう)と、を含む。基板と半導体素子との間に接合材料を介在させて加熱することによって接合層が形成される。この場合、基板と半導体素子との接合界面である接合層に、基板及び半導体素子とは別の部材が介装されることがない。従って、接合層自体の構造が簡素化される。また、接合層の外周部分の形状が所定の曲率半径(R寸法)を有するR部によって構成されている。この場合、接合層のR部には尖って突き出た角部に比べて応力集中が起こり難く、簡単な構造によって接合界面に生じる熱応力を緩和することができる。また、接合層の外周部分の形状のみを変更すればよいため、製造工程の簡素化及び製造コストの低減を図ることができる。なお、本発明では接合層の外周部分の全ての角部を排除するのが好ましいが、接合層の外周部分に少なくとも1つのR部が設けられていれば熱応力の緩和効果を得ることができる。
(Means for solving the problem)
In order to achieve the above object, a semiconductor device according to the present invention includes a substrate and a semiconductor element (also referred to as “semiconductor chip”) bonded to the substrate through a bonding layer made of only a bonding material. A bonding layer is formed by heating with a bonding material interposed between the substrate and the semiconductor element. In this case, a member different from the substrate and the semiconductor element is not interposed in the bonding layer that is a bonding interface between the substrate and the semiconductor element. Therefore, the structure of the bonding layer itself is simplified. Further, the shape of the outer peripheral portion of the bonding layer is constituted by an R portion having a predetermined radius of curvature (R dimension). In this case, the stress concentration is less likely to occur in the R portion of the bonding layer than the sharply protruding corner portion, and the thermal stress generated at the bonding interface can be relaxed with a simple structure. In addition, since only the shape of the outer peripheral portion of the bonding layer needs to be changed, the manufacturing process can be simplified and the manufacturing cost can be reduced. In the present invention, it is preferable to exclude all corners of the outer peripheral portion of the bonding layer. However, if at least one R portion is provided in the outer peripheral portion of the bonding layer, a thermal stress relaxation effect can be obtained. .
上記構成の半導体装置では、接合層は円柱形状であり、当該円柱形状の円弧半径がR部の所定の曲率半径に相当するのが好ましい。この場合、接合層の外周部分全体が1つのR部として構成される。これにより、R部の曲率半径が大きくなるため熱応力の緩和効果を高めるのに有効である。 In the semiconductor device having the above-described configuration, it is preferable that the bonding layer has a cylindrical shape, and the circular arc radius of the cylindrical shape corresponds to a predetermined curvature radius of the R portion. In this case, the entire outer peripheral portion of the bonding layer is configured as one R portion. As a result, the radius of curvature of the R portion is increased, which is effective in enhancing the effect of mitigating thermal stress.
上記構成の半導体装置では、接合層は、熱流動性を有する接合材料が接合領域に塗布された後に加熱されることによって形成されるように構成されるのが好ましい。この場合、この半導体装置は、接合材料の加熱前後での形状を維持するための形状維持機構を更に備えるのが好ましい。これにより、熱応力の緩和効果を高めるのに有効な接合層の所望の形状を確実に実現することができる。 In the semiconductor device having the above structure, it is preferable that the bonding layer is formed by heating after a bonding material having thermal fluidity is applied to the bonding region. In this case, the semiconductor device preferably further includes a shape maintaining mechanism for maintaining the shape of the bonding material before and after heating. As a result, it is possible to reliably realize a desired shape of the bonding layer that is effective in enhancing the effect of mitigating thermal stress.
上記構成の半導体装置では、形状維持機構は、接合領域のまわりを区画するように基板上に形成され、接合材料に対する撥液作用を有するナノメートルオーダーの凹凸構造によって構成されるのが好ましい。この場合、接合領域に塗布された接合材料は、加熱によって熱流動性を呈した場合でもナノメートルオーダーの凹凸構造を越えて接合領域外へと流出し難い。これにより、接合材料の加熱前後での形状を物理的な構造を用いて維持することが可能になる。 In the semiconductor device having the above configuration, the shape maintaining mechanism is preferably formed of a concavo-convex structure on the order of nanometers formed on the substrate so as to partition around the bonding region and having a liquid repellent effect on the bonding material. In this case, the bonding material applied to the bonding region hardly flows out of the bonding region beyond the concavo-convex structure on the nanometer order even when it exhibits thermal fluidity by heating. This makes it possible to maintain the shape of the bonding material before and after heating using a physical structure.
上記構成の半導体装置では、凹凸構造は、基板上にフェムト秒レーザーを照射するレーザー加工によって形成されるのが好ましい。これにより、ナノメートルオーダーの凹凸構造をフェムト秒レーザーを用いて確実に形成することができる。 In the semiconductor device having the above structure, the concavo-convex structure is preferably formed by laser processing that irradiates a femtosecond laser on the substrate. Thereby, the uneven structure of nanometer order can be reliably formed using a femtosecond laser.
上記構成の半導体装置では、半導体素子は、接合層に加えて前記接合材料のみからなる補助接合層を介して基板に接合され、補助接合層は、接合層の外周部分のうちR部の近傍に配置されるのが好ましい。この場合、接合層の外周部分にR部を設けることによって接合面積が低下した分を、補助接合層によって補うことができる。その結果、基板と半導体素子との間において電気伝導性や放熱性が低下するのを抑制することが可能になる。 In the semiconductor device having the above configuration, the semiconductor element is bonded to the substrate via the auxiliary bonding layer made of only the bonding material in addition to the bonding layer, and the auxiliary bonding layer is located near the R portion in the outer peripheral portion of the bonding layer. Preferably it is arranged. In this case, the auxiliary bonding layer can compensate for the decrease in the bonding area by providing the R portion on the outer peripheral portion of the bonding layer. As a result, it is possible to suppress a decrease in electrical conductivity and heat dissipation between the substrate and the semiconductor element.
上記構成の半導体装置は、基板上の接合領域に凹凸構造を備えるのが好ましい。これにより、接合層に対する基板の接合面積を増やすことができ、基板と接合層との接合強度を高めることができる。 The semiconductor device having the above structure preferably includes a concavo-convex structure in a bonding region on the substrate. Thereby, the bonding area of the substrate with respect to the bonding layer can be increased, and the bonding strength between the substrate and the bonding layer can be increased.
上記構成の半導体装置は、基板上の接合領域に長尺状に延在するとともに断面がマイクロメートルオーダーの波状である溝を備え、この溝によって凹凸構造が構成されるのが好ましい。これにより、平坦面(平滑面)であるベース構造の場合に平坦面に沿って直線的に発生するせん断応力を断面が波状である溝によって複数の方向に分散させることができる。その結果、基板と接合層との接合界面に生じる熱応力が緩和され熱疲労寿命が向上する。 The semiconductor device having the above structure preferably includes a groove extending in a long shape in a bonding region on the substrate and having a corrugated cross section having a micrometer order, and the groove constitutes an uneven structure. Thereby, in the case of the base structure which is a flat surface (smooth surface), the shear stress which generate | occur | produces linearly along a flat surface can be disperse | distributed in a some direction with the groove | channel with a wavy cross section. As a result, the thermal stress generated at the bonding interface between the substrate and the bonding layer is relaxed and the thermal fatigue life is improved.
上記構成の半導体装置では、溝は、接合領域から基板上で接合材料が塗布されない非接合領域まで連続して延在しているのが好ましい。これにより、接合材料に含まれる有機溶剤をこの溝を通じて接合領域から非接合領域へと排出することが可能になる。その結果、有機溶剤の残留が原因となって発生するボイドの発生比率を抑えることが可能になる。 In the semiconductor device having the above structure, the groove preferably extends continuously from the bonding region to the non-bonding region where the bonding material is not applied on the substrate. Thereby, the organic solvent contained in the bonding material can be discharged from the bonding region to the non-bonding region through the groove. As a result, it is possible to suppress the generation ratio of voids generated due to the residual organic solvent.
上記構成の半導体装置では、溝の複数が、接合領域の中心部から非接合領域まで連続して放射状に延在しているのが好ましい。この場合、一般的に接合領域の中心部付近に有機溶剤が残留してボイドが形成され易いため、有機溶剤を排出する手段として放射状の溝を用いることによって、ボイドの発生比率を抑える効果がより高くなる。 In the semiconductor device having the above configuration, it is preferable that a plurality of grooves extend radially from the central portion of the bonding region to the non-bonding region. In this case, since the organic solvent generally remains in the vicinity of the center of the joining region and voids are easily formed, the use of radial grooves as a means for discharging the organic solvent has a more effective effect of reducing the void generation rate. Get higher.
上記構成の半導体装置では、溝或は基板上にフェムト秒レーザーを照射するレーザー加工によって形成されるのが好ましい。これにより、断面がマイクロメートルオーダーの波状である溝をフェムト秒レーザーを用いて確実に形成することができる。 The semiconductor device having the above structure is preferably formed by laser processing that irradiates a femtosecond laser on a groove or a substrate. Thereby, the groove | channel where a cross section is a wave shape of a micrometer order can be reliably formed using a femtosecond laser.
上記構成の半導体装置はさらに、基板上の接合領域において、隣接する溝同士を接続する接続溝を備えているのが好ましい。この接続溝によれば、複数の溝を利用して接合材料である金属ナノペーストに含まれている有機溶剤を接合領域から非接合領域へと誘導する構造において、有機溶剤を誘導可能な方向を増やすことができる。これにより、任意の溝に有機溶剤が停滞・残留した場合でも、当該有機溶剤を接続溝を通じて別の溝に誘導した後、この別の溝を通じて非接合領域へと確実に誘導することができる。 The semiconductor device having the above-described structure preferably further includes a connection groove for connecting adjacent grooves in a bonding region on the substrate. According to this connection groove, in the structure in which the organic solvent contained in the metal nanopaste as the bonding material is guided from the bonding region to the non-bonding region using a plurality of grooves, the direction in which the organic solvent can be guided is set. Can be increased. As a result, even when the organic solvent stagnates or remains in an arbitrary groove, the organic solvent can be reliably guided to the non-joining region through the another groove after being guided to the other groove through the connection groove.
上記構成の半導体装置では、接続溝の断面が波状であるのが好ましい。これにより、温度的に厳しい使用環境下で接合層に蓄積された熱応力(熱歪)を、断面が波状の接続溝によって複数の方向(例えば、波の任意の点における法線ベクトル方向)に分散させることができる。その結果、冷熱サイクルを複数回繰り返しても、接合層における亀裂の進展を抑制、若しくは遅らせることが可能になる。 In the semiconductor device having the above configuration, it is preferable that the cross section of the connection groove is wavy. As a result, the thermal stress (thermal strain) accumulated in the bonding layer under a severe temperature environment can be applied to a plurality of directions (for example, a normal vector direction at an arbitrary point of the wave) by the connecting groove having a wavy cross section. Can be dispersed. As a result, even if the cooling cycle is repeated a plurality of times, it is possible to suppress or delay the progress of cracks in the bonding layer.
上記構成の半導体装置では、接続溝の複数が接合領域の中心部のまわりに同心円状に広がるように配置されるのが好ましい。これにより、熱応力(熱歪)が接合層の円周方向に作用する場合、この熱応力を接続溝によって複数の方向に確実に分散させることができる。 In the semiconductor device having the above configuration, it is preferable that a plurality of connection grooves are arranged so as to extend concentrically around the center portion of the bonding region. Thereby, when a thermal stress (thermal strain) acts in the circumferential direction of the bonding layer, the thermal stress can be reliably dispersed in a plurality of directions by the connection grooves.
上記構成の半導体装置では、接続溝は、接合領域から基板上で接合材料が塗布されない非接合領域まで連続するのが好ましい。この場合、接続溝は、複数の溝を接続する第1の機能に加えて、接合材料である金属ナノペーストに含まれている有機溶剤を接合領域から非接合領域まで誘導する第2の機能を果たすことができる。特に、溝及び接続溝の双方が接合領域から非接合領域まで連続して延在している場合には、これら二種類の溝の協働によって金属ナノペーストに含まれている有機溶剤を非接合領域まで誘導する機能を強化することができる。 In the semiconductor device having the above structure, it is preferable that the connection groove continues from the bonding region to the non-bonding region where the bonding material is not applied on the substrate. In this case, in addition to the first function of connecting the plurality of grooves, the connection groove has a second function of guiding the organic solvent contained in the metal nanopaste as the bonding material from the bonding region to the non-bonding region. Can fulfill. In particular, when both the groove and the connection groove extend continuously from the bonding region to the non-bonding region, the organic solvent contained in the metal nano paste is not bonded by the cooperation of these two types of grooves. The function of guiding to the area can be strengthened.
以上のように、本発明によれば、基板上に接合層を介して半導体素子が接合される半導体装置において、接合層に生じる熱応力を簡単な構造によって緩和することが可能になった。 As described above, according to the present invention, in a semiconductor device in which a semiconductor element is bonded to a substrate via a bonding layer, it is possible to reduce thermal stress generated in the bonding layer with a simple structure.
以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1に示されるように、本発明の「半導体装置」としての半導体装置100は、基板(半導体基板)110と、基板110上(基板110の上面111)に接合層130を介して接合される半導体素子(半導体チップ)120と、を含む。ここでいう基板110、半導体素子120及び接合層130がそれぞれ、本発明の「基板」、「半導体素子」及び「接合層」に相当する。
As shown in FIG. 1, a
基板110は、平面視の形状が図2に示すような正方形、或いは長方形であり、且つ所定の板厚を有する板状部材として構成される。基板110は、典型的には銅または銅合金からなる金属製であり、この基板110の上面111にはニッケルメッキが施されている。
The
半導体素子120は、典型的には平面視の形状が図2に示すような正方形であり、且つ所定の板厚を有する板状部材として構成される。半導体素子120は、SiC(シリコン・カーバイド)からなる半導体素子として構成される。この半導体素子120の表面(基板110の上面111に対向する面とは反対側の面)には配線接合部位(図示省略)が形成されており、この配線接合部位に電気配線が接続されている。
The
接合層130は、基板110の上面111のうち半導体素子120との対向面である接合領域(上面)112と、半導体素子120の底面で112との間に介在している。この接合層130は、平面視の形状が図2に示すような円形であり、且つ所定の膜厚を有する円柱形状である。この接合層130は、有機溶液(有機溶剤)と粒子径が数ナノから数十ナノメートルの金属ナノ粒子(銀、銅、ニッケルなどを含む金属ナノ粒子)とを含む金属ナノペーストや、加熱によって流動化する熱流動性を有し鉛とスズを主成分とした合金である半田などの接合材料のみからなる。この場合、基板110と半導体素子120との接合界面である接合層130に、基板110及び半導体素子120とは別の部材が介装されることがない。従って、接合層130自体の構造が簡素化される。
The
なお、上記の接合層130を形成させるには、基板110上の接合領域112に、接合材料である例えば金属ナノペーストを塗布或いは転写した後、この金属ナノペーストに半導体素子120の底面121を被着させ、非酸化雰囲気中での加熱処理を行う。この加熱処理によれば、接合材料中の有機溶液から金属ナノ粒子が析出してニッケルメッキ上に堆積する一方で、有機溶液が揮発して除去される。更に、酸化雰囲気中での加熱処理を行うことができる。この加熱処理によれば、金属ナノ粒子の表面に吸着していた有機保護膜が加熱によって分解・除去されて金属ナノ粒子の焼結挙動が促されることによって、接合材料と基板110及び半導体素子120とのそれぞれの間で金属的な接合作用が得られる。最終的に、接合材料から接合層130が形成されることとなる。
In order to form the
ところで、上記構成の半導体装置100の使用時に、半導体素子120の温度が上昇した場合に、基板110と半導体素子120との接合界面を形成する接合層130に熱変化が加わる。この場合、接合層130の熱変化によって内力である熱応力が生じる。従って、この種の半導体装置100では、接合層130において、熱応力が局所的に集中する熱応力集中によって剥離やクラックが発生するのを防止するための構造が必要となる。
By the way, when the temperature of the
そこで、本実施の形態では円柱形状の接合層130を採用している。この接合層130は、平面視の形状が円形であり、即ちその外周部分が一定の曲率半径(円弧半径)を有するR部131によって構成されている。即ち、接合層130の外周部分全体が1つのR部131として構成される。本形状は、接合層の一般的な形状(例えば平面視が正方形、長方形、多角形のような形状)に対して、「角部(尖って突き出た部分)」を有していないという点において相違する。本形状の接合層130は、熱応力が集中し易い角部をその外周部分から排除することによって熱応力を緩和できるようにしている。これにより、簡単な構造によって接合界面に生じる熱応力を緩和することができる。特に、接合層130が円柱形状である場合には、例えば図3中の矢印が参照されるように、接合層130において熱変化によって生じる熱応力Stを外周方向に均等に分散させることができる。これに対して、例えば平面視が正方形(以下、「ベース形状」ともいう)の接合層の場合には、接合層の降伏応力を上回る熱応力が角部に集中し易くなり、その結果、剥離やクラックが発生する虞がある。また、本実施の形態によれば、接合層の外周部分の形状のみを変更すればよいため、製造工程の簡素化及び製造コストの低減を図ることができる。更に、高温冷熱サイクルのように熱応力の緩和効果が求められるシステムおいて、特に信頼性の高い半導体装置を構築することができる。
Therefore, in this embodiment, the
上記構成の接合層130の変形例として、外周部分から角部を排除し、且つ接合に関与する実質的な接合面積が小さくなるのを防止するのに有効な種々の形状の接合層を採用することができる。例えば、接合層の平面視の形状が楕円形であってもよい。また、図4に示すような形状の接合層230を採用することもできる。この接合層230は、平面視が正方形である接合層の4つの角部のそれぞれにR付けが施されることによって形成されている。即ち、この接合層230の外周部分の形状が所定の曲率半径を有する4つのR部231によって構成されている。この接合層230によれば、円柱形状の接合層130と同様に熱応力を緩和することができるとともに、接合層130に割り当てられる半導体素子120と同寸法の半導体素子に対しては、接合層130よりも接合面積を増やすことが可能になる。接合面積を増やすことによって、基板110及び半導体素子120のそれぞれに対する接合強度を確保することができ、且つ基板110と半導体素子120との間において電気伝導性や放熱性が低下するのを抑制することができる。
As a modified example of the
上記構成の接合層130,230の作用効果は、公知のCAE(Computer Aided Engineering)解析によるシミュレーションによって確認することができる。この場合、解析対象である接合層をモデル化し、この接合層において発生する熱応力を適切な数値解析手法を用いて計算することができる。具体例として、半導体素子120(縦寸法及び横寸法がともに5mmのチップ)の中央部がおよそ250[℃]となるように熱量を印加する熱量印加処理を想定し、この熱量印加処理時に接合層にて発生する熱応力を、この接合層の外周部分のR寸法(「曲率半径」ともいう)が種々変更された場合のそれぞれについてCAE解析によって導出した。その結果、図5及び図6に示すような解析結果が得られた。図5によれば、接合層の平面視の形状がベース形状から円形(真円)に近づくにつれて、この接合層に生じる熱応力の最大値(以下、「最大応力」ともいう)が低下し、円形のときに熱応力の最大値が最も低くなることが確認された。この最大応力は、特にR寸法がR1.2に達するまで比較的顕著に低下し、1.2を超えてから円形に達するまで徐々に低下している。また、図6が参照されるように、ベース形状の接合層、4つの角部がR1.2である接合層、円形の接合層についての最大応力はそれぞれ、144[MPa]、101[MPa]、84.8[MPa]であった。これらの解析結果に基づいた場合、R寸法が1.2を上回るように接合層の外周部分の形状を決めることによって、熱応力を緩和する効果が特に高まることが確認された。 The effects of the bonding layers 130 and 230 having the above-described configuration can be confirmed by a simulation based on a known CAE (Computer Aided Engineering) analysis. In this case, the bonding layer to be analyzed can be modeled, and the thermal stress generated in the bonding layer can be calculated using an appropriate numerical analysis method. As a specific example, a heat amount application process in which a heat amount is applied so that the central portion of the semiconductor element 120 (a chip having a vertical dimension and a horizontal dimension of 5 mm) is approximately 250 [° C.] is assumed. The thermal stress generated in the above is derived by CAE analysis when the R dimension (also referred to as “curvature radius”) of the outer peripheral portion of the bonding layer is variously changed. As a result, analysis results as shown in FIGS. 5 and 6 were obtained. According to FIG. 5, as the shape of the bonding layer in plan view approaches the circular shape (perfect circle) from the base shape, the maximum value of thermal stress generated in the bonding layer (hereinafter also referred to as “maximum stress”) decreases. It was confirmed that the maximum value of thermal stress was the lowest when it was circular. This maximum stress decreases relatively remarkably, particularly until the R dimension reaches R1.2, and gradually decreases until it reaches 1.2 after exceeding 1.2. Further, as shown in FIG. 6, the maximum stresses for the base-shaped bonding layer, the bonding layer having four corners of R1.2, and the circular bonding layer are 144 [MPa] and 101 [MPa], respectively. 84.8 [MPa]. Based on these analysis results, it was confirmed that the effect of alleviating thermal stress was particularly enhanced by determining the shape of the outer peripheral portion of the bonding layer so that the R dimension exceeded 1.2.
また、上記構成の接合層130,230に代えて、図7及び図8に示す別の形状の接合層を採用することもできる。図7に示す接合層330は、接合層130と同形状の主接合層331と、この主接合層331に加えてそのまわりに配置された4つの補助接合層332と、を備えている。この場合、半導体素子120は、1つの主接合層331と4つの補助接合層332を介して基板110に接合される。また、図8に示す接合層430は、接合層130よりも径の小さい円形の主接合層431と、この主接合層431に加えてそのまわりに等間隔で配置された8つの補助接合層432と、を備えている。この場合、半導体素子120は、1つの主接合層431と8つの補助接合層432を介して基板110に接合される。これら補助接合層332,432はいずれも、接合層130と同一の接合材料のみからなる接合層であり、接合層130の外周部分にR部を設けることによってベース形状の接合層に比べて接合面積が低下した分を補う機能を果たす。この目的のために、各補助接合層332は、主接合層331の外周部分のうちR部の近傍に配置されている。同様に、各補助接合層432は、主接合層431の外周部分のうちR部の近傍に配置されている。その結果、基板110と半導体素子120との間において電気伝導性や放熱性が低下するのを抑制することが可能になる。ここでいう補助接合層332,432が本発明の「補助接合層」に相当する。
Moreover, it can replace with the joining
上記構成の接合層130,230,330,430のような形状を実現するために、当該接合層を形成する接合材料の加熱前後での形状を維持するための形状維持機構を基板110上に設けるのが好ましい。この形状維持機構の一例である形状維持機構140を備える半導体装置200については、図9及び図10が参照される。この半導体装置200は、形状維持機構140を備える点についてのみ図1及び図2に示す半導体装置100と相違している。ここでいう形状維持機構140が本発明の「形状維持機構」に相当する。
In order to realize the shape of the bonding layers 130, 230, 330, and 430 having the above configuration, a shape maintaining mechanism for maintaining the shape of the bonding material forming the bonding layer before and after heating is provided on the
接合層130が形成される前の接合材料が加熱時の熱流動性によって基板110上の接合領域112から流出すると、所望の形状の接合層130が得られなくなる虞がある。そこで、本実施の形態の形状維持機構140は、接合材料が加熱時の熱流動性によって接合領域から流出するのを阻止する機能を果たす。図9及び図10に示すように、この形状維持機構140は、いずれも基板110上に設けられた撥液部141及び受け溝142によって構成されている。
If the bonding material before the
撥液部141は、円形の接合領域112のまわりを区画するように基板110上に形成された同心状の複数の環状溝を用いて構成されている。複数の環状溝は、公知のフェムト秒レーザー、概してフェムト秒単位の短時間にエネルギーを圧縮して発振を行う光レーザーを基板110の上面111に照射するレーザー加工によって形成され得る。この場合、例えば図11に示されるように、撥液部141の断面には、隣接する2つの凸部の間隔D1が700〜800[nm]であり、凸部の高さ(凹部の深さ)D2が800〜1000[nm]であり、凹部の幅D3が150〜300[nm]である凹凸構造が含まれている。このようなナノメートルオーダーの凹凸構造(ナノ周期構造)は、接合材料に対する濡れ性が悪く、接合材料を弾く撥液作用(所謂、「ロータス効果」)を発揮する。ナノメートルオーダーの凹凸構造を確実に形成するのに、フェムト秒レーザーが特に有効である。このため、円形の接合領域112から径方向外側へ流出しようとする接合材料が撥液部141の凹凸部分に作用すると、この凹凸部分による撥液作用によって接合材料が弾かれることとなり、接合材料が撥液部141を越えて濡れ広がるのを阻止することができる。この場合、接合材料が接合領域112から流出するのを物理的な構造によって抑制することができる。その結果、接合材料の加熱前後での形状が維持されるため、熱応力の緩和効果を高めるのに有効な接合層の所望の形状を確実に実現することができる。
The
受け溝143は、接合材料の塗布量のバラツキ等によって、接合領域112に接合材料が過剰に塗布された場合に、余剰となった接合材料を貯留する機能を果たす。その結果、接合材料が接合領域112から流出するのを物理的に抑制することができる。この受け溝143は、撥液部141を形成するのに使用した公知のフェムト秒レーザーを用い、撥液部141の場合とは異なる照射条件によって形成され得る。なお、本実施形態では、この受け溝143を撥液部141と組み合わせて形状維持機構140を構築したが、本発明では、撥液部141及び受け溝143の少なくとも一方を用いて形状維持機構を構築することができる。例えば、必要に応じて受け溝143を省略することもできる。
The receiving
図12に示す半導体装置300は、上記構成の半導体装置100が接合層の外周部分の形状に特徴を持たせたのに対して、基板110上の表面構造に特徴を持たせている。具体的に説明すると、この半導体装置300は、基板110上の接合領域112に凹凸構造150を備えている。この凹凸構造150には、互いに平行に配置され且つそれぞれが長尺状に延在する複数の溝151が含まれている。具体的に説明すると、図13に示すように、各溝151は、基板110上の接合領域112に長尺状に延在している。この溝151の溝断面(単に、「断面」ともいう)については、複数の溝151の延在方向と交差する方向についての溝断面(図12中のA’−A’線断面)がマイクロメートルオーダーのうねり形状(「波状」ともいう)である凹凸構造(以下、「第1の断面構造」ともいう)を採用するのが好ましい。この溝断面には、例えば隣接する2つの凸部の間隔D4がおよそ60[μm]以下であり、凸部の高さ(凹部の深さ)D5がおよそ20〜30[μm]であり、規則正しい周期性を持って溝高さが変化するようなうねり形状(溝断面において溝頂部と溝底部を通る波型の線が周期的に続く形状(正弦波形))が含まれる。この場合、複数の溝151はいずれも基板110の上面111にフェムト秒レーザーを照射するレーザー加工によって形成され得る。マイクロメートルオーダーの凹凸構造を確実に形成するのに、フェムト秒レーザーが特に有効である。尚、上記の第1の断面構造に代えて或いは加えて、複数の溝151の延在方向についての溝断面(図12中のA’’−A’’線断面)がマイクロメートルオーダーのうねり形状(「波状」ともいう)である凹凸構造(以下、「第2の断面構造」ともいう)を採用することもできる。
A
基板110上に形成されたこのようなマイクロメートルオーダーの凹凸構造150(マイクロ周期構造)によれば、接合領域112が平坦面(平滑面)である構造(以下、「ベース構造」ともいう)に比べて接合層130に対する基板110の接合面積を増やすことができ、基板110と接合層130との接合強度を高めることができる。更に、ベース構造の場合に平坦面に沿って直線的に発生するせん断応力を、溝151のうねり形状によって複数の方向(平坦面と交差する複数の方向、例えばうねり(波)の任意の点における法線ベクトル方向)に分散させることができる。その結果、基板110と接合層130との接合界面に生じる熱応力が緩和され熱疲労寿命が向上する。なお、この半導体装置300における接合層130は、平面視の形状が正方形或いは長方形のように外周部分に角部を有するものであってもよいし、或いは図2や図4に示すような外周部分に角部のない形状のものであってもよい。ここでいう凹凸構造150及び溝151がそれぞれ、本発明の「凹凸構造」及び「溝」に相当する。
According to such a micrometer-order concavo-convex structure 150 (micro-periodic structure) formed on the
上記の凹凸構造150による熱応力の分散効果は、前述のCAE解析によるシミュレーションによって確認することができる。この場合、前述の熱量印加処理と同一の処理を想定し、熱量印加処理時に接合層にて発生する熱応力をCAE解析によって算出した。その結果、図14に示すような解析結果が得られた。図14によれば、接合層に生じる最大応力は、ベース構造の場合が144[MPa]であったのに対して凹凸構造150の場合が106.9[MPa]であった。この解析結果に基づいた場合、凹凸構造150を採用することによって、熱応力を緩和する効果が高まることが確認された。
The effect of thermal stress dispersion by the concavo-
凹凸構造150の各溝151は、接合材料との接合に関与する領域(接合材料が塗布される領域)である接合領域112から、基板110上において接合材料との接合に関与しない領域(接合材が塗布されない領域)である非接合領域113まで連続して延在するように構成されるのが好ましい。本構成によれば、各溝151は、接合材料として金属ナノペーストを用いる場合に金属ナノペーストに含まれている有機溶剤を非接合領域113まで誘導する誘導溝としての機能を果たすことができる。特に上記の第1の断面構造の場合、各溝151の溝底の位置が接合領域112から非接合領域113まで概ね一定で変化しないため、有機溶剤を接合領域112から非接合領域113まで確実に誘導することが可能になる。
Each
具体的に説明すると、図15が参照されるように、基板110に半導体素子120を接合する加熱処理時に、有機溶剤OSが各溝151の底部空間152に溜まり、且つこの底部空間152を通って非接合領域113まで排出される。この場合、うねり形状を形成する各溝151では溝底に向かうにつれて溝断面積が徐々に小さくなるため、各溝151の溝底に有機溶剤OSを溜めるための底部空間152を形成させることができる。また、加熱処理によって有機溶剤OSが分解されるため、接合過程で金属ナノペースト中の金属ナノ粒子MNが底部空間152に入り込みながら焼結固化する。従って、接合強度を高める効果、所謂「アンカー効果」が得られる。また、有機溶剤OSを除去する構造によって接合界面に有機溶剤OSが残留しにくくなり、接合界面におけるボイド(微小な空洞や気孔)の発生比率を抑えることができる。その結果、特に基板110と接合層130との接合面積を増やすことができるため接合強度が高まり、且つ放熱特性が向上し、且つ疲労寿命が向上する。これらの効果は、以下の評価方法によって確認された。
Specifically, as shown in FIG. 15, during the heat treatment for bonding the
(引っ張り破壊強度測定)
本発明者は、上記構成の凹凸構造150が接合強度を高めることを検証するべく、図16が参照されるような引っ張り破壊強度測定を実施した。具体的に説明すると、無酸素銅からなる同寸法(縦:10[mm]、横:20[mm]、板厚:1.5[mm])の2つのテストピースTP1,TP2を準備し、これらのテストピースTP1,TP2の重なり部分である接合領域112を接合材料によって接合した。これにより、2つのテストピースTP1,TP2が接合層130を介して一体状に接合された接合体TPが得られる。この接合体TPでは、接合領域112の面積(接合面積)は100[mm2]に設定されており、2つのテストピースTP1,TP2の双方の接合領域112に、凹凸構造150(うねり形状を有する複数の溝151)が設けられている。
(Tensile fracture strength measurement)
In order to verify that the concavo-
そして、2つのテストピースTP1,TP2のそれぞれを試験機によってクランプして当該テストピースTP1,TP2の延在平面に沿って互いに離間する方向(白抜き矢印で示す方向)に所定の引っ張り速度(例えば、分速1.0ミリメートル)で引っ張り、接合層130が破断したときの引っ張り荷重を求める。この引っ張り荷重を接合領域112の面積当たりの強度(以下、「接合強度」ともいう)に換算する。その結果、図17に示すような結果が得られた。図17によれば、接合強度は、ベース構造の場合が6.4[MPa]であったのに対して凹凸構造150の場合が15.7[MPa]であった。この測定結果に基づいた場合、各溝151の前述のうねり形状の効果によって実際に接合強度が高まることが確認された。
Then, each of the two test pieces TP1 and TP2 is clamped by a testing machine, and a predetermined pulling speed (for example, a direction indicated by a white arrow) is separated from each other along the extending plane of the test pieces TP1 and TP2. The tensile load is calculated when the
(ボイド評価)
本発明者は、上記構成の凹凸構造150がボイドの発生を抑制することを検証するべく、X線及び光学顕微鏡(SEM)を用いて上記の接合体TPの接合層130の内部検査を実施した。具体的に説明すると、図18が参照されるように、X線による接合層130の内部検査については、図中の白抜き矢印で示されるように接合領域112を上方から撮影し、撮影結果に基づいて所定領域に含まれるボイドの数及び大きさを計測した。光学顕微鏡による接合層130の内部検査については、接合体TPを図中のB−B線断面及びC−C線断面でカットし、このカット面に含まれるボイドの数及び大きさを計測した。その結果、図19に示すような結果が得られた。図19によれば、接合層130内にボイドが含まれている比率(ボイド率)は、平坦面であるベース構造の場合が2.3[%]であったのに対して凹凸構造150の場合が0.4[%]であった。この内部検査結果に基づいた場合、前述のうねり形状を採用することによって、接合強度を高めることが可能になることが確認された。これらの内部検査結果に基づいた場合、前述のうねり形状を採用することによって、ボイドの発生を抑制することが可能であることが確認された。
(Void evaluation)
The present inventor conducted an internal inspection of the
なお、上記の凹凸構造150では、フェムト秒レーザーによって加工された複数の直線状の複数の溝151が互いに平行に配置される場合について記載したが、本発明では、凹凸構造を構成する溝の形状や配置についてはこれに限定されるものではない。例えば、直線状の複数の溝が交差する構成、1又は複数の曲線状の溝を用い構成、1又は直線状の溝と1又は複数の曲線状の溝とを組み合わせた構成等を採用することもできる。
In the concavo-
更に、具体例として図20〜図22に示す別の形態の凹凸構造を採用することもできる。例えば、図20に示す凹凸構造250は、接合領域112の中心部から非接合領域113まで連続して放射状に延出する複数の溝251を用いて構成されている。また、図21に示す凹凸構造350は、接合領域112の中心部から非接合領域113まで連続して放射螺旋状に延出する複数の溝351を用いて構成されている。また、図22に示す凹凸構造450は、接合領域112の中心部のまわりに同心円状に広がるように配置された複数の溝451を用いて構成されている。複数の溝451は、接合領域112のみに延在する溝によって構成されてもよいし、或いは接合領域112のみに延在する溝と、接合領域112及び非接合領域113の双方の領域にわたって延在する溝とによって構成されてもよい。これらの凹凸構造250,350,450では、凹凸構造150と同様に、上記の第1の断面構造及び第2の断面構造のうちの少なくとも一方の断面構造を採用することができる。これらの凹凸構造250,350,450を採用した場合であっても、上記の凹凸構造150を採用する場合と同様の作用効果を得ることができる。また、一般的に接合領域112の中心部付近に有機溶剤が残留してボイドが形成され易いため、有機溶剤を排出する手段として放射状の溝251や放射螺旋状の溝351、また接合領域112及び非接合領域113の双方の領域にわたって延在する溝451を用いると、ボイドの発生比率を抑える効果がより高くなる。
Furthermore, another embodiment of the uneven structure shown in FIGS. 20 to 22 may be employed as a specific example. For example, the concavo-
なお、上記の半導体装置100,200のように接合層の外周部分の形状(R部)に特徴を持たせた構成と、上記の半導体装置300のように基板上の表面構造(凹凸構造)に特徴を持たせた構成とを組み合わせ可能であることは勿論である。この場合、少なくとも接合層の外周部分の形状の特徴によって得られる熱応力の緩和効果と、基板上の表面構造の特徴によって得られる熱応力の緩和効果との相乗効果によって、接合界面における熱応力の緩和効果の更なる向上を図ることが可能になる。
It should be noted that a configuration in which the shape (R portion) of the outer peripheral portion of the bonding layer is characterized as in the
ところで、低温領域から高温領域までの広範囲にわたる厳しい温度使用環境下で半導体装置100を使用すると、接合層130の収縮及び膨張による繰返し応力によって熱応力(熱歪)が蓄積し易いため、接合層130の中心部近傍に微細な亀裂が発生し、更にこの亀裂が進展する虞がある。このような場合には、半導体素子120と接合層130との接合面積の低下によって半導体素子120の剥離や剥がれが発生し得る。
By the way, when the
そこで、本発明者は、図12、図20〜図22に示す凹凸構造に更なる改良を加えることによって、温度的に厳しい使用環境下で半導体装置100を使用する場合であっても、所望の応力緩和効果を得ることが可能な優れた応力緩和構造を実現できることを見出した。この応力緩和構造については、図23及び図24が参照される。
Therefore, the present inventor can further improve the concavo-convex structure shown in FIG. 12 and FIG. 20 to FIG. 22, even if the
図23に示される凹凸構造550は上記応力緩和構造に相当するものであり、図12に示される凹凸構造150の複数の溝151に加えて複数の接続溝153を備えている。この接続溝153が本発明の「接続溝」に相当する。各接続溝153は、基板110上の接合領域112において互いに隣接する溝151,151同士を当該溝と交差する方向(図23では直交する方向)について接続するように直線状に延在し、且つその延在方向と交差する方向(溝151の延在方向)についての溝断面(図23中のD−D線断面)が図25に示されるようなマイクロメートルオーダーのうねり形状(図13に示す形状と同様の正弦波形)をなす。図23に示す例では、接続溝153の全てが互いに平行となるように延在しており、基板110の上面111に溝151と接続溝153とによって碁盤目状の溝パターンが形成されている。この場合、溝151は互いに隣接する接続溝153,153同士を接続しており、この溝151を接続溝153に対する「接続溝」ということもできる。
The concavo-
図24に示される凹凸構造650は上記応力緩和構造に相当するものであり、図20に示される凹凸構造250の複数の溝251に加えて複数の接続溝253を備えている。この接続溝253が本発明の「接続溝」に相当する。各接続溝253は、基板110上の接合領域112において互いに隣接する溝251,251同士を当該溝と交差する方向(図23では円周方向)について接続するように円形状に延在する。また、複数の接続溝253の延在方向と交差する方向(溝251の延在方向)についての溝断面(図24中のE−E線断面)が図25に示されるようなマイクロメートルオーダーのうねり形状(図13に示す形状と同様の正弦波形)をなす。図24に示す例では、接続溝253の全てが接合領域112の中心部のまわりに同心円状に広がるように配置されており、基板110の上面111に溝251と接続溝253とによって蜘蛛の巣状の溝パターンが形成されている。この場合、溝251は互いに隣接する接続溝253,253同士を接続しており、この溝251を接続溝253に対する「接続溝」ということもできる。
The concavo-
上記構成の接続溝153,253によれば、温度的に厳しい使用環境下で半導体装置100を使用する場合であっても、接合層130の中心部近傍に微細な亀裂が発生したり、この亀裂が進展したりするのを抑えることが可能になる。具体的に説明すると、図26が参照されるように、使用温度条件を単位時間内で低温領域から高温領域まで変化させるような冷熱サイクルを複数回繰り返した場合、接合層130の中心部分から径方向外側に向かう複数の位置において円周方向に沿って空隙であるボイドVが形成される場合がある。即ち、ボイドVによるボイド領域が図25中の二点鎖線で示すように同心円状に形成される場合がある。このようなボイドVは、接合層130に蓄積された円周方向の熱応力によって亀裂が円周方向に進展することによって形成される。
According to the
そこで、本実施の形態の凹凸構造650では、これに対処するべく、接合層130における亀裂の進展方向である円周方向に各接続溝253が延在するように構成している(図25参照)。この場合、接続溝253の溝断面には、例えば隣接する2つの凸部の間隔D4がおよそ60[μm]以下であり、凸部の高さ(凹部の深さ)D5がおよそ20〜30[μm]であり、規則正しい周期性を持って溝高さが変化するようなうねり形状(溝断面において溝頂部と溝底部を通る波型の線が周期的に続く形状(正弦波形))が含まれる。これにより、接合層130の円周方向に作用する熱応力(円周方向につながろうとする亀裂の駆動力)を、接続溝253のうねり形状によって複数の方向(例えば、うねり(波)の任意の点における法線ベクトル方向)に確実に分散させることができる。その結果、冷熱サイクルを複数回繰り返しても、接合層130における亀裂の進展を抑制、若しくは遅らせることが可能になり、以って熱寿命が向上するという作用効果を奏する。なお、接合層130における亀裂の進展方向が円周方向以外である場合には、当該進展方向に合致するように接続溝253の延在方向を設定するのが好ましい。また、接続溝253の図24中のE−E線の溝断面についてうねり形状が形成される形態に代えて或いは加えて、接続溝253の延在方向(円周方向)の溝断面について同様のうねり形状が形成される形態を採用することもできる。
Therefore, in the concavo-
上記の作用効果は、本発明者による冷熱サイクル試験によって実際に確認されている。この冷熱サイクル試験では、まず無酸素銅からなる同寸法(縦:10[mm]、横:20[mm]、板厚:1.5[mm])の2つのテストピースを準備し、一方の評価用テストピースの上面に図24に示される溝251及び接続溝253を設ける溝加工を施し、他方の比較用テストピースにはこのような溝加工は施さなかった。その後、各テストピースに接合層130を介して半導体素子が一体状に接合された接合体を作製した。これら二種類の接合体に対して所定条件の冷熱サイクルを複数回繰り返した後、各接合体における接合層の内部のボイド状態、具体的にはボイド率(空隙率)をX線によって計測した。また、各接合体における半導体素子の接合状態を光学顕微鏡(SEM)によって検査した。X線による計測の結果、比較用テストピースでは冷熱サイクルを繰り返すにしたがって亀裂が進展してボイド率が初期状態の2〜5倍程度まで上昇したのに対して、評価用テストピースではボイド率は初期状態から変化することなく初期状態を維持していることが確認された。これにより、温度条件が厳しい冷熱サイクル試験おいても接合層による良好な接合状態が維持されるものと推察できる。一方で、光学顕微鏡による検査の結果、いずれのテストピースに接合された半導体素子も、半導体素子自体の割れ、亀裂、破壊等は確認されなかった。
The above-described effects have been actually confirmed by a cooling / heating cycle test by the present inventor. In this thermal cycle test, first, two test pieces of the same dimensions (length: 10 [mm], width: 20 [mm], plate thickness: 1.5 [mm]) made of oxygen-free copper were prepared. Groove processing for providing the
また、上記構成の接続溝153,253によれば、複数の溝151,251を利用して有機溶剤を接合領域112から非接合領域113へと誘導する構造において、有機溶剤を誘導可能な方向を増やすことができる。これにより、任意の溝151,251に有機溶剤が停滞・残留した場合でも、当該有機溶剤を接続溝153,253を通じて別の溝151,251に誘導した後、この別の溝151,251を通じて非接合領域113へと確実に誘導することができる。例えば図24に示される凹凸構造650の場合、図27が参照されるように、任意の溝251における有機溶剤の誘導経路として、本来の誘導経路R1(破線矢印で示す経路)に加えて或いは代えて、接続溝253を通じて隣接する溝251へとつながる誘導経路R2,R3(実線矢印で示す経路)を利用することができる。要するに、一方向の誘導経路を分岐させることによって複数方向の誘導経路を形成することができる。この場合、有機溶剤の残留が原因となって接合層130の内部に発生するボイドの発生比率を抑えることが可能になる。その結果、基板110及び半導体素子120のそれぞれに対する接合層130の接合面積が低下して接合強度が悪化するのを抑えることができる。また、厳しい温度使用環境においても接合層130の中心部近傍に微細な亀裂が発生し、更にこの亀裂が進展するのを阻止することで、耐熱信頼性を向上させることができる。
In addition, according to the
上記構成の接続溝153,253はいずれも、溝151,251と同様にマイクロメートルオーダーのうねり形状が基板110の上面111にフェムト秒レーザーを照射するレーザー加工によって形成されるのが好ましい。このレーザー加工によれば、接続溝153,253におけるマイクロメートルオーダーのうねり形状を確実に形成することが可能になる。この場合、図24中の凹凸構造650のように、複数の溝251や複数の接続溝253の中心側端部が一点に集中しないような溝構造(最も中心部寄りの溝を円形にする構造)を採用することによって、レーザー加工時にレーザー光が基板110上の一点に何度も照射されるのを防止することができ、その結果、基板110に穴開き等の不具合が発生し難くなる。
The
また、上記構成の接続溝153,253はいずれも、接合領域112から基板110上において接合材料が塗布されない非接合領域113まで連続して延在しているのが好ましい。これにより、接続溝153,253は、複数の溝151,251を接続する第1の機能に加えて、接合材料である金属ナノペーストに含まれている有機溶剤を接合領域112から非接合領域113まで誘導する第2の機能を果たすことができる。特に、溝151,251及び接続溝153,253の双方が接合領域112から非接合領域113まで連続して延在している場合には、これら二種類の溝の協働によって金属ナノペーストに含まれている有機溶剤を非接合領域113まで誘導する機能を強化することができる。
Moreover, it is preferable that all of the
本発明は、上記の典型的な実施形態のみに限定されるものではなく、種々の応用や変形が考えられる。例えば、上記実施の形態を応用した次の各形態を実施することもできる。 The present invention is not limited to the above exemplary embodiment, and various applications and modifications are possible. For example, each of the following embodiments to which the above embodiment is applied can be implemented.
上記実施の形態では、接合層の外周部分の全ての角部を排除する例について記載したが、本発明では、接合層の外周部分に少なくとも1つのR部が設けられていれば当該R部によって熱応力の緩和効果を得ることができる。従って、必要に応じては、接合層の外周部分に例えば角部及びR部の双方を備える構造を採用することもできる。 In the above embodiment, an example in which all corners of the outer peripheral portion of the bonding layer are excluded has been described. However, in the present invention, if at least one R portion is provided in the outer peripheral portion of the bonding layer, A thermal stress relaxation effect can be obtained. Therefore, if necessary, for example, a structure including both a corner portion and an R portion on the outer peripheral portion of the bonding layer may be employed.
上記実施の形態では、溝と接続溝との組み合わせによって基板上に形成された、図23に示す碁盤目状の溝パターンや図24に示す蜘蛛の巣状の溝パターンについて記載したが、溝パターンはこれらに限定されるものではなく、必要に応じて種々の溝パターンを採用することができる。例えば、図12に示す複数の溝151と図24に示す複数の接続溝253とを組み合わせた溝パターンを採用することもできる。
In the above embodiment, the grid-like groove pattern shown in FIG. 23 and the cobweb-like groove pattern shown in FIG. 24 formed on the substrate by the combination of the groove and the connection groove are described. Is not limited to these, and various groove patterns can be adopted as necessary. For example, a groove pattern in which a plurality of
上記実施の形態では、基板上の溝及び接続溝はいずれも溝断面をマイクロメートルオーダーのうねり形状(正弦波形)にすることで凹凸構造を形成する場合について記載したが、本発明では、これらの溝や接続溝を形成する際に、溝断面がマイクロメートルオーダー以外のうねり形状である形態や、溝断面がうねり形状以外の形状、例えばうねり形状以外の波状や矩形(非正弦波形)である形態を採用することもできる。また、基板上の溝や接続溝の数や形状については、接合層の形状に応じて適宜に変更可能である。 In the above embodiment, the groove and the connection groove on the substrate are both described in the case of forming a concavo-convex structure by making the groove cross section waviness shape (sinusoidal waveform) on the order of micrometers. When forming a groove or connection groove, the groove section has a wavy shape other than a micrometer order, or the groove cross section has a shape other than a wavy shape, for example, a wavy shape other than a wavy shape or a rectangular shape (non-sinusoidal waveform). Can also be adopted. Further, the number and shape of the grooves and connection grooves on the substrate can be appropriately changed according to the shape of the bonding layer.
100…半導体装置、110…基板、120…半導体素子(半導体チップ)、130…接合層、131…R部、140…形状維持機構、141…撥液部、143…受け溝、150,250,350,450,550,650…凹凸構造、151,251,351,451…溝、153,253…接続溝
DESCRIPTION OF
Claims (15)
前記接合層の外周部分の形状が所定の曲率半径を有するR部によって構成されている、半導体装置。 A metal substrate, and a semiconductor element bonded to the substrate through a bonding layer made of only a bonding material applied to a bonding region on the substrate,
A semiconductor device, wherein a shape of an outer peripheral portion of the bonding layer is configured by an R portion having a predetermined radius of curvature.
前記接合層は円柱形状であり、当該円柱形状の円弧半径が前記R部の前記所定の曲率半径に相当する、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device, wherein the bonding layer has a cylindrical shape, and an arc radius of the cylindrical shape corresponds to the predetermined curvature radius of the R portion.
前記接合層は、熱流動性を有する前記接合材料が前記接合領域に塗布された後に加熱されることによって形成され、
前記接合材料の加熱前後での形状を維持するための形状維持機構を備える、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 or 2,
The bonding layer is formed by heating after the bonding material having heat fluidity is applied to the bonding region,
A semiconductor device comprising a shape maintaining mechanism for maintaining the shape of the bonding material before and after heating.
前記形状維持機構は、前記接合領域のまわりを区画するように前記基板上に形成され、前記接合材料に対する撥液作用を有するナノメートルオーダーの凹凸構造によって構成される、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 3,
The shape maintaining mechanism is a semiconductor device which is formed on the substrate so as to partition around the bonding region, and is configured by a concavo-convex structure of nanometer order having a liquid repellent effect on the bonding material.
前記凹凸構造は、前記基板上にフェムト秒レーザーを照射するレーザー加工によって形成される、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 4,
The uneven structure is a semiconductor device formed by laser processing that irradiates a femtosecond laser on the substrate.
前記半導体素子は、前記接合層に加えて前記接合材料のみからなる補助接合層を介して前記基板に接合され、前記補助接合層は、前記接合層の外周部分のうち前記R部の近傍に配置されている、半導体装置。 A semiconductor device according to any one of claims 1 to 5,
The semiconductor element is bonded to the substrate via an auxiliary bonding layer made of only the bonding material in addition to the bonding layer, and the auxiliary bonding layer is disposed in the vicinity of the R portion in the outer peripheral portion of the bonding layer. A semiconductor device.
前記基板上の前記接合領域に凹凸構造を備える、半導体装置。 A semiconductor device according to any one of claims 1 to 6,
A semiconductor device comprising an uneven structure in the bonding region on the substrate.
前記基板上の前記接合領域に長尺状に延在するとともに断面がマイクロメートルオーダーの波状である溝を備え、前記溝の前記うねり形状によって前記凹凸構造が構成されている、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 7,
A semiconductor device comprising a groove extending in a long shape in the bonding region on the substrate and having a corrugated cross section of the order of micrometers, and the concavo-convex structure is constituted by the wavy shape of the groove.
前記溝は、前記接合領域から前記基板上で前記接合材料が塗布されない非接合領域まで連続して延在している、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 8,
The groove extends continuously from the bonding region to a non-bonding region where the bonding material is not applied on the substrate.
前記溝の複数が前記接合領域の中心部から前記非接合領域まで連続して放射状に延在している、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 9,
A semiconductor device, wherein a plurality of the grooves extend radially from the center of the bonding region to the non-bonding region.
前記溝は、前記基板上にフェムト秒レーザーを照射するレーザー加工によって形成される、半導体装置。 A semiconductor device according to any one of claims 8 to 10,
The groove is a semiconductor device formed by laser processing that irradiates a femtosecond laser on the substrate.
前記基板上の前記接合領域において、隣接する前記溝同士を接続する接続溝を備えている、半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 9 to 11, further comprising:
The semiconductor device provided with the connection groove | channel which connects the said adjacent groove | channels in the said junction area | region on the said board | substrate.
前記接続溝の断面が波状である、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 12,
A semiconductor device, wherein the connection groove has a wavy cross section.
前記接続溝の複数が前記接合領域の中心部のまわりに同心円状に広がるように配置される、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 13,
A semiconductor device, wherein a plurality of the connection grooves are arranged so as to extend concentrically around a central portion of the junction region.
前記接続溝は、前記接合領域から前記基板上で前記接合材料が塗布されない非接合領域まで連続する、半導体装置。 A semiconductor device according to any one of claims 12 to 14,
The connection groove is a semiconductor device that continues from the bonding region to a non-bonding region where the bonding material is not applied on the substrate.
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Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017054877A (en) * | 2015-09-08 | 2017-03-16 | 株式会社村田製作所 | Semiconductor module |
JP2017054878A (en) * | 2015-09-08 | 2017-03-16 | 株式会社村田製作所 | Semiconductor module |
JP2017118050A (en) * | 2015-12-25 | 2017-06-29 | アイシン精機株式会社 | Semiconductor unit |
WO2020050077A1 (en) * | 2018-09-07 | 2020-03-12 | ローム株式会社 | Bonding structure, semiconductor device, and bonding structure formation method |
JP2020136431A (en) * | 2019-02-18 | 2020-08-31 | 株式会社東芝 | Semiconductor device manufacturing method and semiconductor device |
JPWO2020195847A1 (en) * | 2019-03-26 | 2020-10-01 |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5478971A (en) * | 1977-12-06 | 1979-06-23 | Mitsubishi Electric Corp | Semiconductor element |
JPS5483766A (en) * | 1977-12-16 | 1979-07-04 | Nec Corp | Semiconductor device |
JPS58121632A (en) * | 1982-01-12 | 1983-07-20 | Mitsubishi Electric Corp | Semiconductor device |
JPH0278234A (en) * | 1988-09-14 | 1990-03-19 | Hitachi Ltd | Semiconductor device |
JP2011125914A (en) * | 2009-12-18 | 2011-06-30 | Denso Corp | Method for forming periodic structure and device for injecting fuel having the periodic structure |
JP2011222823A (en) * | 2010-04-12 | 2011-11-04 | Toyota Motor Corp | Circuit device and manufacturing method thereof |
-
2014
- 2014-04-22 JP JP2014088465A patent/JP6354286B2/en active Active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5478971A (en) * | 1977-12-06 | 1979-06-23 | Mitsubishi Electric Corp | Semiconductor element |
JPS5483766A (en) * | 1977-12-16 | 1979-07-04 | Nec Corp | Semiconductor device |
JPS58121632A (en) * | 1982-01-12 | 1983-07-20 | Mitsubishi Electric Corp | Semiconductor device |
JPH0278234A (en) * | 1988-09-14 | 1990-03-19 | Hitachi Ltd | Semiconductor device |
JP2011125914A (en) * | 2009-12-18 | 2011-06-30 | Denso Corp | Method for forming periodic structure and device for injecting fuel having the periodic structure |
JP2011222823A (en) * | 2010-04-12 | 2011-11-04 | Toyota Motor Corp | Circuit device and manufacturing method thereof |
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017054877A (en) * | 2015-09-08 | 2017-03-16 | 株式会社村田製作所 | Semiconductor module |
JP2017054878A (en) * | 2015-09-08 | 2017-03-16 | 株式会社村田製作所 | Semiconductor module |
JP2017118050A (en) * | 2015-12-25 | 2017-06-29 | アイシン精機株式会社 | Semiconductor unit |
WO2020050077A1 (en) * | 2018-09-07 | 2020-03-12 | ローム株式会社 | Bonding structure, semiconductor device, and bonding structure formation method |
JPWO2020050077A1 (en) * | 2018-09-07 | 2021-08-26 | ローム株式会社 | Joined structure, semiconductor device and method of forming joined structure |
JP2020136431A (en) * | 2019-02-18 | 2020-08-31 | 株式会社東芝 | Semiconductor device manufacturing method and semiconductor device |
JPWO2020195847A1 (en) * | 2019-03-26 | 2020-10-01 | ||
WO2020195847A1 (en) * | 2019-03-26 | 2020-10-01 | ローム株式会社 | Electronic device and method for manufacturing electronic device |
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