JP2016103526A - 半導体装置 - Google Patents

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林太郎 淺井
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敏一 佐藤
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Masanori Usui
正則 臼井
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Abstract

【課題】半導体チップと放熱板とが液相拡散接合された構造を有していながら、放熱性を向上させることのできる半導体装置を提供する。【解決手段】本半導体装置は、半導体チップと、アルミニウム層と、アルミニウム層上に積層された銅層と、銅化合物よりなる液相拡散接合層とを有し、液相拡散接合層を介して半導体チップに接合された放熱板と、を備え、液相拡散接合層は、アルミニウム層に接するとともに、液相拡散接合層を取り囲む銅層に接合されている。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体チップが放熱板に実装された半導体装置に関する。
半導体チップを液相拡散接合（ＴＬＰ接合：Transient Liquid Phase Diffusion Bonding）により実装基板に実装することが広く行われている。特許文献１には、半導体チップと実装基板上の配線層との間に、低融点金属からなる溶融層を介在させ、液相拡散によって溶融層と周囲の物質とを相互拡散させることで半導体チップと実装基板とを接合する技術が開示されている。当該液相拡散により、接合部分には溶融層よりも高融点の合金層が形成される。
特開２０１３−０３８３３０号公報
しかしながら、従来のように半導体チップと実装基板とを液相拡散により形成した高融点合金層で接合すると、高融点合金層とその周辺領域との接合界面に割れを生じやすい。高融点合金層が極めて硬いことから、高融点合金層に接する層が合金層などの硬い層であると、これらの界面に熱応力が発生した場合に当該熱応力が緩和されないからである。
したがって、例えば図３に示すように、半導体チップ２を、液相拡散により形成した高融点合金層１０２を介して銅などからなる放熱板１０１に実装した半導体装置においては、高融点合金層１０２と放熱板１０１との界面付近で割れＦ２が発生する。割れＦ２は、半導体チップ２の直下に位置し、半導体チップ２から放熱板１０１への放熱を妨げることとなる。この結果、放熱板１０１による十分な放熱効果が得られなくなる。
本発明は、半導体チップと放熱板とが液相拡散接合された構造を有していながら、放熱性を向上させることのできる半導体装置を提供するものである。
第１の発明は、半導体装置であって、半導体チップと、アルミニウム層と、前記アルミニウム層上に積層された銅層と、銅化合物よりなる液相拡散接合層とを有し、前記液相拡散接合層を介して前記半導体チップに接合された放熱板と、を備え、前記液相拡散接合層は、前記アルミニウム層に接するとともに、前記液相拡散接合層を取り囲む前記銅層に接合されている。
第１の発明によれば、液相拡散接合層とアルミニウム層との界面に液相拡散接合層の硬い特性に起因する熱応力が発生しても、当該熱応力が柔らかいアルミニウムによって緩和される。したがって、液相拡散接合層とアルミニウム層との界面に熱応力が発生した場合に、割れが生じにくい。また、液相拡散接合層とその周辺領域との間に熱応力が発生した場合に、液相拡散接合層とアルミニウム層との界面よりも液相拡散接合層と銅層との界面のほうが破壊されにくい。したがって、たとえ液相拡散接合層とアルミニウム層との界面に熱応力による割れが発生したとしても、液相拡散接合層と銅層とを接合された状態に保持することができる。これにより、半導体チップで発生する熱は液相拡散接合層を介して銅層へ伝達される。このように、本半導体装置では、半導体チップで発生した熱の放熱路が確保される。
本発明によれば、半導体チップと放熱板とが液相拡散接合された構造を有していながら、放熱性を向上させることのできる半導体装置を提供することができる。
本発明の実施形態に係る半導体装置の構成を示す図であって、（ａ）は割れが発生していない状態の断面図、（ｂ）は割れが発生した状態の断面図 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す図であって、（ａ）ないし（ｃ）は製造工程の各段階を説明する図 従来技術に係る半導体装置の構成を示す断面図
以下、図１および図２を参照しながら、実施の形態について詳細に説明する。
[半導体装置の構成および効果]
図１（ａ）に、本実施形態に係る半導体装置１０の構成を示す。
半導体装置１０は、放熱板１と半導体チップ２とを備えている。半導体チップ２は、例えばパワーモジュールに搭載されるパワー素子のチップであり、放熱板１に接合（ダイボンディング）されている。
放熱板１は、アルミニウム層１ａ、銅層１ｂ、および、接合部１ｃを備えている。放熱板１は、後に図２（ａ）で示すようなアルミニウム層１ａと銅層１Ｂとが圧延接合されたクラッド材１１から加工されて得られるものである。以下では、説明の便宜上、放熱板１に対して半導体チップ２が設けられている側を上側とする。
接合部１ｃは、半導体チップ２の接合面Ｅと銅層１ｂとを接合するように形成された液相拡散接合層である。当該液相拡散接合層は、銅化合物の組成を有する合金であり、ここではＣｕ３Ｓｎからなる。接合部１ｃは、界面Ｇを挟んで接合部１ｃを側方から取り囲む銅層１ｂに接合されている。界面Ｇは、銅層１Ｂと添加した錫との液相拡散により生じた、液相拡散接合層と銅領域（すなわち銅層１ｂ）との界面である。また、接合部１ｃは、界面Ｓを挟んで下方のアルミニウム層１ａに接している。
このようにして対向配置された半導体チップ２の接合面Ｅとアルミニウム層１ａとの間は、接合部１ｃで埋められている。これは、液相拡散前に半導体チップ２とアルミニウム層１ａとの間に存在していた銅が、液相拡散の母材として完全に消費されたことによる。
接合部１ｃが界面Ｓでアルミニウム層１ａに接しているため、接合部１ｃを構成するＣｕ３Ｓｎが極めて硬いことに起因して、界面Ｓに熱応力が発生した場合に、当該熱応力は柔らかいアルミニウムによって緩和される。したがって、界面Ｓに熱応力が発生した場合に割れが発生しにくい。
また、接合部１ｃとその周辺領域との間に熱応力が発生した場合に、接合部１ｃと銅層１ｂとの界面Ｇ（Ｃｕ３Ｓｎ−Ｃｕ界面）と、接合部１ｃとアルミニウム層１ａとの界面Ｓ（Ｃｕ３Ｓｎ−Ａｌ界面）とでは、界面Ｇのほうが破壊されにくい。したがって、図１（ｂ）に示すように、たとえ界面Ｓに熱応力による割れＦ１が発生したとしても、接合部１ｃと銅層１ｂとを接合された状態に保持することができる。これにより、矢印Ｈで示すように、半導体チップ２で発生する熱は接合部１ｃを介して銅層１ｂへ伝達される。このように、半導体装置１０では、半導体チップ２で発生した熱の放熱路が確保される。
[半導体装置の製造工程]
次に、図２に、半導体装置１０の製造工程を示す。
図２（ａ）に示すように、アルミニウム層１ａと銅層１Ｂとが圧延接合されたクラッド材１１、半導体チップ２、および、錫箔３０を用意する。銅層１Ｂには、表面から深さＴ１−Ｔ２（Ｔ１＞Ｔ２）に凹部Ｒが形成されている。ここで、Ｔ１は凹部Ｒが形成されている箇所以外での銅層１Ｂの層厚であり、Ｔ２は凹部Ｒにおける銅層１Ｂの層厚である。Ｃｕ３Ｓｎを形成するのに、例えば、Ｔ２≦０．７５×Ｔ１とされる。また、凹部Ｒの面内方向への拡がり寸法は、半導体チップ２の面内方向への拡がり寸法Ｌ２と同等である。錫箔３０は厚みＴ３を有する。Ｃｕ３Ｓｎを形成するのに、例えば、Ｔ３≦０．２５×Ｔ１とされる。錫箔３０の面内方向への拡がり寸法は、上記拡がり寸法Ｌ２と同等である。
次いで、図２（ｂ）に示すように、凹部Ｒに錫箔３０を嵌入し、錫箔３０の上に半導体チップ２を載置する。なお、錫箔３０は、スパッタリングなどによる堆積膜としてクラッド材１１上に直接形成されたものでもよい。図２（ｂ）のワークピースを、液相拡散炉に導入し、液相拡散工程を実施する。液相拡散では、錫箔３０が溶融する温度まで加熱を行い、銅層１Ｂの銅原子と溶融錫の錫原子とを相互拡散させる。層厚Ｔ２の部分にある銅は、液相拡散の母材として完全に消費される。
液相拡散工程が終了すると、図２（ｃ）のように、銅層１Ｂの一部分がＣｕ３Ｓｎからなる液相拡散接合層（接合部１ｃ）に変化し、銅層１Ｂの他の部分が銅層１ｂとして残る。接合部１ｃの層厚は銅層１ｂの層厚Ｔ１にほぼ等しい。
本発明は、半導体チップのダイボンディングなどに適用可能である。
１、１０１ 放熱板
１ａ アルミニウム層
１ｂ、１Ｂ 銅層
１ｃ 接合部
２ 半導体チップ
１０ 半導体装置
１１ クラッド材
３０ 錫箔
１０２ 高融点合金層
Ｅ 接合面
Ｆ１、Ｆ２ 割れ
Ｇ、Ｓ 界面
Ｈ 矢印
Ｌ 拡がり寸法
Ｔ１、Ｔ２ 層厚
Ｔ３ 厚み
Ｒ 凹部

Claims (1)

  1. 半導体チップと、
    アルミニウム層と、前記アルミニウム層上に積層された銅層と、銅化合物よりなる液相拡散接合層とを有し、前記液相拡散接合層を介して前記半導体チップに接合された放熱板と、
    を備え、
    前記液相拡散接合層は、前記アルミニウム層に接するとともに、前記液相拡散接合層を取り囲む前記銅層に接合されている、ことを特徴とする半導体装置。
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