JP2016151563A - Semiconductor device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device capable of increasing detection accuracy of a stress to which the semiconductor device is subjected.SOLUTION: A semiconductor device comprises: a semiconductor substrate; an electronic circuit provided on the semiconductor substrate; a metal pattern provided on the semiconductor substrate; and an air bridge structure including a columnar part located lateral to the metal pattern and a just above part connected to the columnar part and located just above the metal pattern and formed in a conductor without contacting with the metal pattern. The metal pattern and the air bridge structure are not electrically in contact with the electronic circuit.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、半導体デバイスに関する。   The present invention relates to a semiconductor device.

特許文献1には、半導体デバイス内部の配線パターンに発生するウィスカによって、ストレスを検知する方法が開示されている。具体的には、Si基板上に形成したAl配線がストレスによるマイグレーションにより変形し、並列に配置した別のAl配線に短絡することで不良を検出する。   Patent Document 1 discloses a method for detecting stress using whiskers generated in a wiring pattern inside a semiconductor device. Specifically, the Al wiring formed on the Si substrate is deformed by migration due to stress, and a defect is detected by short-circuiting to another Al wiring arranged in parallel.

特開平11−260878号公報JP-A-11-260878

特許文献1に開示の方法では、ウィスカが横方向に成長した場合のみストレスを検出できるので、半導体デバイスが受けたストレスの検出精度が低い問題点があった。   In the method disclosed in Patent Document 1, stress can be detected only when the whisker grows in the lateral direction, and thus there is a problem that the detection accuracy of the stress applied to the semiconductor device is low.

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、半導体デバイスが受けたストレスの検出精度を高めることができる半導体デバイスを提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device that can improve the accuracy of detection of stress received by the semiconductor device.

本願の発明に係る半導体デバイスは、半導体基板と、該半導体基板の上に設けられた電子回路と、該半導体基板の上に設けられた金属パターンと、該金属パターンの横に位置する柱状部と、該柱状部とつながり該金属パターンの直上に位置する直上部と、を有し、該金属パターンと接触せず、導体で形成されたエアブリッジ構造と、を備え、該金属パターン及び該エアブリッジ構造は、該電子回路と電気的に接触しないことを特徴とする。   A semiconductor device according to the invention of the present application includes a semiconductor substrate, an electronic circuit provided on the semiconductor substrate, a metal pattern provided on the semiconductor substrate, and a columnar portion located beside the metal pattern. An air bridge structure which is connected to the columnar part and located immediately above the metal pattern, and is formed of a conductor without contacting the metal pattern, the metal pattern and the air bridge The structure is characterized in that it is not in electrical contact with the electronic circuit.

本願の発明に係る他の半導体デバイスは、電子回路と、該電子回路を覆う、絶縁体で形成されたパッケージと、該パッケージの上に設けられた半導体基板と、該半導体基板の上に設けられた金属パターンと、を備えたことを特徴とする。   Another semiconductor device according to the invention of the present application is provided with an electronic circuit, a package formed of an insulator covering the electronic circuit, a semiconductor substrate provided on the package, and a semiconductor substrate provided on the semiconductor substrate. And a metal pattern.

本発明によれば、上方向に伸びるウィスカを検出可能とすることで、半導体デバイスが受けたストレスの検出精度を高めることができる。   According to the present invention, it becomes possible to detect whiskers extending in the upward direction, thereby increasing the accuracy of detecting stress applied to the semiconductor device.

実施の形態1に係る半導体デバイスの平面図である。1 is a plan view of a semiconductor device according to a first embodiment. 図1の破線部における断面図である。It is sectional drawing in the broken-line part of FIG. 半導体デバイスの使用中に生じる応力を示す図である。It is a figure which shows the stress which arises during use of a semiconductor device. ウィスカが発生したことを示す図である。It is a figure which shows that the whisker generate | occur | produced. 監視部等を示す図である。It is a figure which shows a monitoring part etc. キャップ等を示す図である。It is a figure which shows a cap etc. 柱状部の一部を電子回路と金属パターンの間に設けたことを示す図である。It is a figure which shows having provided a part of columnar part between the electronic circuit and the metal pattern. 遮蔽壁を示す図である。It is a figure which shows a shielding wall. 金属パターンの変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of a metal pattern. 金属パターンの別の変形例を示す図である。It is a figure which shows another modification of a metal pattern. 金属パターンの別の変形例を示す図である。It is a figure which shows another modification of a metal pattern. 金属パターンの別の変形例を示す図である。It is a figure which shows another modification of a metal pattern. 庇型のエアブリッジ構造の図である。It is a figure of a saddle type air bridge structure. ドーム型のエアブリッジ構造の図である。It is a figure of a dome type air bridge structure. 加熱実験の結果を示す表である。It is a table | surface which shows the result of a heating experiment. 実施の形態2に係るウィスカ検出回路とその周辺の構造を示す平面図である。It is a top view which shows the whisker detection circuit which concerns on Embodiment 2, and its periphery structure. 図16の破線における断面図である。It is sectional drawing in the broken line of FIG. 実施の形態3に係るウィスカ検出回路の断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of a whisker detection circuit according to a third embodiment. ウィスカを示す図である。It is a figure which shows a whisker. 実施の形態4に係る半導体デバイスの平面図である。FIG. 6 is a plan view of a semiconductor device according to a fourth embodiment. 図20の破線における断面図である。It is sectional drawing in the broken line of FIG. 変形例に係るウィスカ検出回路の断面図である。It is sectional drawing of the whisker detection circuit which concerns on a modification. 他の変形例に係るウィスカ検出回路の断面図である。It is sectional drawing of the whisker detection circuit which concerns on another modification. 実施の形態5に係る半導体デバイスの平面図である。FIG. 9 is a plan view of a semiconductor device according to a fifth embodiment. 図24の破線における断面図である。It is sectional drawing in the broken line of FIG. 変形例に係るウィスカ検出回路の断面図である。It is sectional drawing of the whisker detection circuit which concerns on a modification. 他の変形例に係るウィスカ検出回路の断面図である。It is sectional drawing of the whisker detection circuit which concerns on another modification. 実施の形態6に係る半導体デバイスの平面図である。FIG. 10 is a plan view of a semiconductor device according to a sixth embodiment. 図28の破線における断面図である。It is sectional drawing in the broken line of FIG. 変形例に係る半導体デバイスの平面図である。It is a top view of the semiconductor device which concerns on a modification. 他の変形例に係る半導体デバイスの平面図である。It is a top view of the semiconductor device which concerns on another modification. ウィスカ検出回路の断面図である。It is sectional drawing of a whisker detection circuit.

本発明の実施の形態に係る半導体デバイスについて図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。   A semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The same or corresponding components are denoted by the same reference numerals, and repeated description may be omitted.

実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る半導体デバイス10の平面図である。半導体デバイス10はフレーム12を備えている。フレーム12の上に半導体基板14とキャップ15が設けられている。フレーム12とキャップ15がパッケージを構成している。キャップ15は枠部分だけが示され蓋部分は省略されている。半導体基板14は例えばGaAs又はSiC等の化合物半導体で形成されている。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a plan view of a semiconductor device 10 according to the first embodiment of the present invention. The semiconductor device 10 includes a frame 12. A semiconductor substrate 14 and a cap 15 are provided on the frame 12. The frame 12 and the cap 15 constitute a package. Only the frame portion of the cap 15 is shown, and the lid portion is omitted. The semiconductor substrate 14 is formed of a compound semiconductor such as GaAs or SiC.

キャップ15には、キャップ15の中から外に伸びる端子16が固定されている。端子16は第1端子16a、第2端子16b、第3端子16c、及び第4端子16dを備えている。   A terminal 16 extending from the cap 15 to the outside is fixed to the cap 15. The terminal 16 includes a first terminal 16a, a second terminal 16b, a third terminal 16c, and a fourth terminal 16d.

半導体基板14の上には電子回路20と配線パターン22が設けられている。電子回路20は例えば電力増幅素子などを含む。配線パターン22は、例えば半導体基板14の上にAuで形成されたAuパターンである。配線パターン22と電子回路20は電気的に接続されている。配線パターン22は例えばAuで形成されたワイヤ24により端子16に接続されている。   An electronic circuit 20 and a wiring pattern 22 are provided on the semiconductor substrate 14. The electronic circuit 20 includes, for example, a power amplification element. The wiring pattern 22 is, for example, an Au pattern formed of Au on the semiconductor substrate 14. The wiring pattern 22 and the electronic circuit 20 are electrically connected. The wiring pattern 22 is connected to the terminal 16 by a wire 24 made of, for example, Au.

半導体基板14の上には金属パターン30が設けられている。金属パターン30はAlで形成されている。金属パターン30の上にはエアブリッジ構造32が形成されている。エアブリッジ構造32は例えばAuなどの導体で形成されている。金属パターン30とエアブリッジ構造32については図2を参照して説明する。   A metal pattern 30 is provided on the semiconductor substrate 14. The metal pattern 30 is made of Al. An air bridge structure 32 is formed on the metal pattern 30. The air bridge structure 32 is formed of a conductor such as Au. The metal pattern 30 and the air bridge structure 32 will be described with reference to FIG.

図2は、図1の破線部における断面図である。金属パターン30は、金属パターン30a、30b、30c、30d、30eを備えている。エアブリッジ構造32は、柱状部32aと直上部32bを備えている。柱状部32aは、金属パターン30b、30c、30dの横に位置する。直上部32bは、柱状部32aとつながり金属パターン30b、30c、30dの直上に位置する。直上部32bと金属パターン30b、30c、30dの間に間隙が設けられているので、直上部32bは金属パターン30と接触しない。   2 is a cross-sectional view taken along a broken line in FIG. The metal pattern 30 includes metal patterns 30a, 30b, 30c, 30d, and 30e. The air bridge structure 32 includes a columnar portion 32a and a directly upper portion 32b. The columnar part 32a is located beside the metal patterns 30b, 30c, and 30d. The directly upper portion 32b is connected to the columnar portion 32a and is located immediately above the metal patterns 30b, 30c, 30d. Since gaps are provided between the upper part 32b and the metal patterns 30b, 30c, and 30d, the upper part 32b does not contact the metal pattern 30.

金属パターン30a、30eの上にはバリアメタル40が設けられている。そして、バリアメタル40の上に柱状部32aが設けられている。バリアメタル40は金属パターン30a、30eとエアブリッジ構造32の相互拡散を防止するために、例えばTi/Mo/Ti、W、WN、Ta、又はTaN等で形成する。   A barrier metal 40 is provided on the metal patterns 30a and 30e. A columnar portion 32 a is provided on the barrier metal 40. The barrier metal 40 is formed of, for example, Ti / Mo / Ti, W, WN, Ta, or TaN in order to prevent mutual diffusion between the metal patterns 30a and 30e and the air bridge structure 32.

半導体基板14の厚さt1は例えば30〜600μmである。金属パターン30a、30b、30c、30d、30eの厚さt2は例えば0.1〜10μmである。   The thickness t1 of the semiconductor substrate 14 is, for example, 30 to 600 μm. The thickness t2 of the metal patterns 30a, 30b, 30c, 30d, and 30e is, for example, 0.1 to 10 μm.

図1の説明に戻る。金属パターン30a(一番左の金属パターン)は、ワイヤで第1端子16aに接続される。これにより、エアブリッジ構造32と第1端子16aが電気的に接続される。金属パターン30b(左から2番目の金属パターン)はワイヤで第2端子16bに接続され、金属パターン30c(左から3番目の金属パターン)はワイヤで第3端子16cに接続され、金属パターン30d(左から4番目の金属パターン)はワイヤで第4端子16dに接続されている。   Returning to the description of FIG. The metal pattern 30a (the leftmost metal pattern) is connected to the first terminal 16a by a wire. Thereby, the air bridge structure 32 and the 1st terminal 16a are electrically connected. The metal pattern 30b (second metal pattern from the left) is connected to the second terminal 16b by a wire, and the metal pattern 30c (third metal pattern from the left) is connected to the third terminal 16c by a wire, and the metal pattern 30d ( The fourth metal pattern from the left is connected to the fourth terminal 16d by a wire.

金属パターン30及びエアブリッジ構造32はウィスカを検出するための「ウィスカ検出回路」を構成している。このウィスカ検出回路は電子回路20から離れた位置に設けられているので、電子回路20と電気的に接触しない。   The metal pattern 30 and the air bridge structure 32 constitute a “whisker detection circuit” for detecting whiskers. Since the whisker detection circuit is provided at a position away from the electronic circuit 20, it does not come into electrical contact with the electronic circuit 20.

通電中の半導体デバイスは、例えば製品定格を越えるような過大な環境ストレス(温度、湿度、温度変化)を受けることがある。図3は、半導体デバイスの使用中に生じる応力を示す図である。半導体デバイスが例えば280℃以上の高温によるストレスを受けた場合には、半導体基板14と金属パターン30bの熱膨張率差に起因した熱応力50が発生する。図4は、この熱応力により金属パターン30bからウィスカ52が発生したことを示す図である。ウィスカ52が成長すると、金属パターン30bとエアブリッジ構造32がショートする。金属パターン30c、30dについても、金属パターン30bと同様にウィスカが生じえる。   An energized semiconductor device may be subjected to excessive environmental stress (temperature, humidity, temperature change) exceeding a product rating, for example. FIG. 3 is a diagram illustrating stress generated during use of the semiconductor device. When the semiconductor device is subjected to stress due to a high temperature of, for example, 280 ° C. or higher, a thermal stress 50 is generated due to a difference in thermal expansion coefficient between the semiconductor substrate 14 and the metal pattern 30b. FIG. 4 is a diagram showing that whiskers 52 are generated from the metal pattern 30b by this thermal stress. When the whisker 52 grows, the metal pattern 30b and the air bridge structure 32 are short-circuited. Similar to the metal pattern 30b, whiskers can occur in the metal patterns 30c and 30d.

ウィスカの有無の検出方法について説明する。図5は、監視部60等を示す図である。第1〜第4端子16a、16b、16c、16dに監視部60が接続されている。監視部60は、第1〜第4端子16a、16b、16c、16dの中の任意の2つの端子がオープンかショートかをモニタするモニタ回路60aを備えている。モニタ回路60aでの調査結果が表示部60bに表示される。なお、図5では説明の便宜上半導体デバイスの内部を示しているが、実際は図6に示すように、キャップ15がウィスカ検出回路と電子回路20等を覆う。   A method for detecting the presence or absence of whiskers will be described. FIG. 5 is a diagram illustrating the monitoring unit 60 and the like. The monitoring unit 60 is connected to the first to fourth terminals 16a, 16b, 16c, and 16d. The monitoring unit 60 includes a monitor circuit 60a that monitors whether any two of the first to fourth terminals 16a, 16b, 16c, and 16d are open or short-circuited. The investigation result in the monitor circuit 60a is displayed on the display unit 60b. In FIG. 5, the inside of the semiconductor device is shown for convenience of explanation, but actually, as shown in FIG. 6, the cap 15 covers the whisker detection circuit, the electronic circuit 20, and the like.

監視部60を用いることで、任意の2つの端子がオープンかショートかをモニタすることができる。これにより、半導体デバイスが高温ストレスを受けてウィスカが成長したことを瞬時に検知することができる。   By using the monitoring unit 60, it is possible to monitor whether any two terminals are open or short-circuited. As a result, it is possible to instantaneously detect that the whisker has grown due to the high temperature stress of the semiconductor device.

監視部60によってウィスカの発生を検出した場合、冗長系を有するシステムであれば別の回路へ切り替えることができる。また、半導体デバイスが破壊した場合における原因調査にウィスカ検出回路を用いることもできる。具体的には、端子間の電気的オープン又は電気的ショートを確認することで、熱ストレスの履歴を非破壊で調べることができる。しかもこのウィスカ検出回路は、1つの半導体基板上に他の回路と集積して形成することができるので、小型パッケージの半導体デバイスに内蔵させることができる。また、ウィスカ検出回路は電子回路20とは電気的に無関係なので、電子回路20の電気特性に影響を与えることはない。つまり、ウィスカ回路でウィスカが検出されても、それが電子回路20の動作に影響を与えることはない。   When the occurrence of whiskers is detected by the monitoring unit 60, a system having a redundant system can be switched to another circuit. In addition, a whisker detection circuit can be used for investigating the cause when the semiconductor device is destroyed. Specifically, the history of thermal stress can be examined nondestructively by confirming electrical open or electrical short between terminals. In addition, the whisker detection circuit can be integrated with another circuit on one semiconductor substrate, so that it can be incorporated in a semiconductor device of a small package. Further, since the whisker detection circuit is electrically unrelated to the electronic circuit 20, it does not affect the electrical characteristics of the electronic circuit 20. That is, even if a whisker is detected by the whisker circuit, it does not affect the operation of the electronic circuit 20.

監視部60を用いずに、キャップ15全体をフレーム12から外したり、キャップ15の蓋部分を開けたりして、ウィスカ有無を外観観察し半導体デバイスのストレス履歴を調査してもよい。仮に電子回路20等に不具合が生じた場合には、ウィスカの発生状況を調査することで、その不具合の原因を特定し得る。   Without using the monitoring unit 60, the entire cap 15 may be removed from the frame 12, or the lid portion of the cap 15 may be opened, and the appearance of whiskers may be observed to investigate the stress history of the semiconductor device. If a problem occurs in the electronic circuit 20 or the like, the cause of the problem can be specified by investigating the occurrence of whiskers.

金属パターン30a、30eは、半導体基板の上に金属パターン30b、30c、30dと同じ材料で形成された土台部として機能する。つまり、金属パターン30a、30eはエアブリッジ構造32の土台部として機能する。金属パターン30a、30eは、エアブリッジ構造32と第1端子16aを接続すればよいので、必ずしも金属パターン30b、30c、30dと同じ材料で形成する必要はない。金属パターン30a、30eとバリアメタル40を省略して柱状部32aを下方に延長させることで、柱状部と半導体基板14を接触させても良い。   The metal patterns 30a and 30e function as a base part formed of the same material as the metal patterns 30b, 30c, and 30d on the semiconductor substrate. That is, the metal patterns 30 a and 30 e function as a base part of the air bridge structure 32. The metal patterns 30a and 30e may be formed of the same material as the metal patterns 30b, 30c, and 30d because the air bridge structure 32 and the first terminal 16a may be connected. The columnar part and the semiconductor substrate 14 may be brought into contact by omitting the metal patterns 30a and 30e and the barrier metal 40 and extending the columnar part 32a downward.

ウィスカは上方向だけでなく横方向にも成長する場合がある。そこで、金属パターンを平行方向に並べることで、ある金属パターンから横方向に成長したウィスカが別の金属パターンに接触するようにした。例えば、金属パターン30bと金属パターン30cがショートした場合には横方向のウィスカ成長があったと判断できる。また、柱状部32aを金属パターン30b、30c、30dの横に位置させることで、横方向に成長したウィスカが柱状部32aに接触し、当該ウィスカの発生を検出できる。   Whisker may grow not only upward but also laterally. Therefore, by arranging metal patterns in parallel, whiskers grown laterally from one metal pattern are brought into contact with another metal pattern. For example, when the metal pattern 30b and the metal pattern 30c are short-circuited, it can be determined that there is lateral whisker growth. Further, by positioning the columnar portion 32a beside the metal patterns 30b, 30c, and 30d, whiskers grown in the horizontal direction come into contact with the columnar portion 32a, and the occurrence of the whiskers can be detected.

上記のとおり、ウィスカは上方向だけでなく横方向にも成長する場合がある。そのため、金属パターン30から伸びるウィスカが電子回路20に達し、電子回路20の動作に影響を与えることを防止すべきである。そこで、エアブリッジ構造の柱状部で金属パターン30を囲んで、横方向に成長したウィスカが電子回路20に接触しないようにすることができる。また、横方向に成長したウィスカが配線パターン22と接することも防止できる。柱状部で金属パターン30を囲まずに、柱状部の一部を電子回路20と金属パターン30の間に設けてもよい。図7は、柱状部の一部を電子回路20と金属パターン30の間に設けたことを示す図である。柱状部の一部は防護壁32cとなっている。防護壁32cは半導体基板14の上に設けられている。   As described above, whiskers may grow not only in the upward direction but also in the lateral direction. Therefore, it should be prevented that whiskers extending from the metal pattern 30 reach the electronic circuit 20 and affect the operation of the electronic circuit 20. Therefore, it is possible to surround the metal pattern 30 with the columnar portion of the air bridge structure so that the whisker grown in the lateral direction does not contact the electronic circuit 20. Further, it is possible to prevent whiskers grown in the lateral direction from coming into contact with the wiring pattern 22. A part of the columnar part may be provided between the electronic circuit 20 and the metal pattern 30 without surrounding the metal pattern 30 with the columnar part. FIG. 7 is a diagram showing that a part of the columnar part is provided between the electronic circuit 20 and the metal pattern 30. A part of the columnar part is a protective wall 32c. The protective wall 32 c is provided on the semiconductor substrate 14.

金属パターンから伸びるウィスカが電子回路20に達しないように金属パターン30を囲む遮蔽壁を設けてもよい。図8は、遮蔽壁33を示す図である。遮蔽壁33の高さは、ウィスカの横方向への成長を阻止する程度に高くする必要があるが、ワイヤ接続を妨害しないように、金属パターンの厚さと同程度とすることが好ましい。遮蔽壁33は、絶縁膜、樹脂又は金属膜で形成する。遮蔽壁で金属パターンを囲まずに、遮蔽壁を電子回路20と金属パターン30の間に設けてもよい。   A shielding wall surrounding the metal pattern 30 may be provided so that whiskers extending from the metal pattern do not reach the electronic circuit 20. FIG. 8 is a view showing the shielding wall 33. Although the height of the shielding wall 33 needs to be high enough to prevent the whisker from growing in the lateral direction, it is preferable that the height of the shielding wall 33 be equal to the thickness of the metal pattern so as not to disturb the wire connection. The shielding wall 33 is formed of an insulating film, resin, or metal film. The shielding wall may be provided between the electronic circuit 20 and the metal pattern 30 without surrounding the metal pattern with the shielding wall.

図9は、金属パターンの変形例を示す図である。金属パターン30bの一部が他の部分より幅が狭い幅狭部30fとなっている。幅狭部30fは平面視ではV字型の切り込みが形成された部分である。幅狭部30fは破線で示されたエアブリッジ構造32の直下にある。半導体デバイスがストレスを受けるとこの幅狭部30fに応力が集中し、幅狭部30fからウィスカが発生する。従って、ウィスカが発生する場所を限定することができるので、ウィスカを目視で観察(外観観察)する際に簡単にウィスカを見つけることができる。また、エアブリッジ構造の直下で上方に伸びるウィスカを成長させることで、確実にウィスカ(電気ショート)を検出できる。幅狭部は、金属パターンの一部に平面視で他の部分より幅が狭くなるように形成されれば特に限定されない。例えば、図10の幅狭部30gのようなU字型の幅狭部を形成してもよい。   FIG. 9 is a diagram illustrating a modification of the metal pattern. A part of the metal pattern 30b is a narrow part 30f that is narrower than the other part. The narrow portion 30f is a portion where a V-shaped cut is formed in a plan view. The narrow portion 30f is immediately below the air bridge structure 32 indicated by a broken line. When the semiconductor device receives stress, the stress concentrates on the narrow portion 30f, and whiskers are generated from the narrow portion 30f. Therefore, since the place where a whisker is generated can be limited, the whisker can be easily found when the whisker is visually observed (appearance observation). In addition, whisker (electric short) can be reliably detected by growing a whisker extending upward just below the air bridge structure. The narrow portion is not particularly limited as long as it is formed in a part of the metal pattern so that the width is narrower than other portions in plan view. For example, you may form a U-shaped narrow part like the narrow part 30g of FIG.

図11は、金属パターンの別の変形例を示す図である。金属パターン30bには凹部30hが形成されている。半導体デバイスがストレスを受けるとこの凹部30hに応力が集中し凹部30hにウィスカが発生する。よって、ウィスカが発生する場所を限定できる。この凹部の形状は特に限定されない。例えば図12の凹部30iのように凹部を形成してもよい。その他、金属パターン30の数及び形状については任意に設定することができる。このように、幅狭部又は凹部をエアブリッジ構造の直上部の直下に位置させることでストレスの検出精度を高めることができる。   FIG. 11 is a diagram showing another modification of the metal pattern. A concave portion 30h is formed in the metal pattern 30b. When the semiconductor device is stressed, the stress is concentrated in the recess 30h and a whisker is generated in the recess 30h. Therefore, the place where a whisker is generated can be limited. The shape of the recess is not particularly limited. For example, you may form a recessed part like the recessed part 30i of FIG. In addition, the number and shape of the metal patterns 30 can be arbitrarily set. As described above, the stress detection accuracy can be increased by positioning the narrow portion or the concave portion directly below the air bridge structure.

金属パターン30の材料はAlに限定されない。金属パターン30の材料は、どのような「半導体デバイスが受けたストレス」を検出したいかに応じて決める。ウィスカの発生する温度は、Al等をTa、Pd、又はIn等で合金化することで調節することができる。また金属パターン30のサイズ又は厚みを変えることでもウィスカの発生温度を調節することができる。金属パターンの厚みは例えば0.1〜10μm程度である。   The material of the metal pattern 30 is not limited to Al. The material of the metal pattern 30 is determined according to what kind of “stress received by the semiconductor device” is desired to be detected. The temperature at which the whisker is generated can be adjusted by alloying Al or the like with Ta, Pd, In, or the like. Further, the whisker generation temperature can be adjusted by changing the size or thickness of the metal pattern 30. The thickness of the metal pattern is, for example, about 0.1 to 10 μm.

エアブリッジ構造の形状については様々な変形をなし得る。例えば、図13に示すように、庇型のエアブリッジ構造70を設けてもよい。また、図14に示すように、ドーム型のエアブリッジ構造72を設けてもよい。本発明の実施の形態1では、エアブリッジ構造の柱状部32aを、バリアメタル40及び金属パターン30a、30eと区別したが、柱状部32a、バリアメタル40及び金属パターン30a、30eをまとめて柱状部と考えても良い。   Various modifications can be made to the shape of the air bridge structure. For example, as shown in FIG. 13, a bowl-shaped air bridge structure 70 may be provided. Further, as shown in FIG. 14, a dome-shaped air bridge structure 72 may be provided. In Embodiment 1 of the present invention, the columnar portion 32a of the air bridge structure is distinguished from the barrier metal 40 and the metal patterns 30a and 30e. However, the columnar portion 32a, the barrier metal 40 and the metal patterns 30a and 30e are collectively included in the columnar portion. You may think.

これらの変形は以下の実施の形態に係る半導体デバイスにも応用することができる。なお、以下の実施の形態に係る半導体デバイスは、実施の形態1との共通点が多いので実施の形態1との相違点を中心に説明する。   These modifications can also be applied to semiconductor devices according to the following embodiments. It should be noted that the semiconductor device according to the following embodiment has much in common with the first embodiment, and therefore the description will focus on the differences from the first embodiment.

実施の形態2.
ウィスカの発生する温度には閾値がある。つまり、半導体デバイスが一定の温度以上となった場合にウィスカが発生する。図15は、加熱実験を行うことで得られた温度とウィスカ発生の関係を示す表である。加熱実験は、厚さ30μmのGaAs基板上に厚さ0.5μmのAl膜(純Al)を真空蒸着して得たサンプルを、125℃から330℃の各温度で1時間保持することで実施した。ウィスカの発生有無は光学顕微鏡(SEMでもよい)により確認した。この加熱実験により、ウィスカ発生温度には閾値があることが分かる。
Embodiment 2. FIG.
There is a threshold for the temperature at which whiskers are generated. That is, whiskers are generated when the semiconductor device reaches a certain temperature or higher. FIG. 15 is a table showing the relationship between the temperature obtained by conducting the heating experiment and the generation of whiskers. The heating experiment was conducted by holding a sample obtained by vacuum-depositing a 0.5 μm thick Al film (pure Al) on a 30 μm thick GaAs substrate at 125 ° C. to 330 ° C. for 1 hour. did. The presence or absence of whisker generation was confirmed with an optical microscope (or SEM). This heating experiment shows that there is a threshold value for the whisker generation temperature.

図16は、実施の形態2に係るウィスカ検出回路とその周辺の構造を示す平面図である。金属パターン80a、80b、80cとエアブリッジ構造82が第1ウィスカ検出回路を構成し、金属パターン80d、80e、80fとエアブリッジ構造84が第2ウィスカ検出回路を構成し、金属パターン80g、80h、80iとエアブリッジ構造86が第3ウィスカ検出回路を構成している。   FIG. 16 is a plan view showing the whisker detection circuit according to the second embodiment and the surrounding structure. The metal patterns 80a, 80b, 80c and the air bridge structure 82 constitute a first whisker detection circuit, the metal patterns 80d, 80e, 80f and the air bridge structure 84 constitute a second whisker detection circuit, and the metal patterns 80g, 80h, 80i and the air bridge structure 86 constitute a third whisker detection circuit.

金属パターン80a、80b、80cは280℃でウィスカが発生するように構成され、金属パターン80d、80e、80fは330℃でウィスカが発生するように構成され、金属パターン80g、80h、80iは380℃でウィスカが発生するように構成されている。つまり、第1〜第3ウィスカ検出回路のウィスカ発生温度が異なる。金属パターン80a〜80iがAlを主材料とする場合、Alを合金化したり、Alのサイズ又は厚みを調整したりすることで、ウィスカ発生温度を調整する。   The metal patterns 80a, 80b, and 80c are configured to generate whiskers at 280 ° C., the metal patterns 80d, 80e, and 80f are configured to generate whiskers at 330 ° C., and the metal patterns 80g, 80h, and 80i are configured to be 380 ° C. Is configured to generate whiskers. That is, the whisker generation temperatures of the first to third whisker detection circuits are different. When the metal patterns 80a to 80i have Al as a main material, whisker generation temperature is adjusted by alloying Al or adjusting the size or thickness of Al.

図17は、図16の破線における断面図である。半導体デバイスが280℃以上の熱ストレスを受けた場合はウィスカ90が発生する。半導体デバイスが330℃以上の熱ストレスを受けた場合はウィスカ90、92が発生する。半導体デバイスが380℃以上の熱ストレスを受けた場合はウィスカ90、92、94が発生する。このように、半導体デバイスがどの程度の熱ストレスを受けたのか容易に検出することができる。多段階で熱ストレスの程度を検出できるので、半導体デバイスが受けたストレスの検出精度を高めることができる。   17 is a cross-sectional view taken along the broken line in FIG. When the semiconductor device is subjected to thermal stress of 280 ° C. or higher, whiskers 90 are generated. When the semiconductor device is subjected to thermal stress of 330 ° C. or higher, whiskers 90 and 92 are generated. When the semiconductor device is subjected to thermal stress of 380 ° C. or higher, whiskers 90, 92, and 94 are generated. In this way, it is possible to easily detect how much thermal stress the semiconductor device has been subjected to. Since the degree of thermal stress can be detected in multiple stages, the accuracy of detecting the stress applied to the semiconductor device can be increased.

実施の形態2の半導体デバイスの特徴は、金属パターンを複数有し、エアブリッジ構造を複数有し、複数の金属パターンのウィスカの発生条件が異なるウィスカ検出回路を設けたことである。この特徴を逸脱しない範囲で様々な変形をなし得る。   A feature of the semiconductor device of the second embodiment is that a whisker detection circuit having a plurality of metal patterns, a plurality of air bridge structures, and different whisker generation conditions of the plurality of metal patterns is provided. Various modifications can be made without departing from this feature.

実施の形態3.
図18は、実施の形態3に係るウィスカ検出回路の断面図である。実施の形態2との相違点は、複数のエアブリッジ構造100、102、104の直上部100a、102a、104aの高さが不均一となっていることである。直上部100aから直上部100aの直下の金属パターン105bまでの距離はh1である。直上部102aから直上部102aの直下の金属パターン105eまでの距離はh2である。直上部104aから直上部104aの直下の金属パターン105hまでの距離はh3である。h2はh1より大きく、h3はh2より大きい。つまり、直上部から直上部の直下の金属パターンまでの距離が不均一となっている。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 18 is a cross-sectional view of a whisker detection circuit according to the third embodiment. The difference from the second embodiment is that the heights of the upper portions 100a, 102a, 104a of the plurality of air bridge structures 100, 102, 104 are not uniform. The distance from the upper part 100a to the metal pattern 105b immediately below the upper part 100a is h1. The distance from the upper part 102a to the metal pattern 105e immediately below the upper part 102a is h2. The distance from the upper part 104a to the metal pattern 105h immediately below the upper part 104a is h3. h2 is larger than h1, and h3 is larger than h2. That is, the distance from the upper part to the metal pattern immediately below the upper part is not uniform.

半導体デバイスの加熱時間が長いほど、ウィスカは上方向に長く成長する。加熱時間が1分程度の場合はウィスカの高さがh1となり、5分程度の場合はウィスカの高さがh2となり、10分程度の場合はウィスカの高さがh3となる。そのため、図19に示すように、加熱時間が1分の場合はウィスカ106により金属パターン105bとエアブリッジ構造100がショートする。加熱時間が5分の場合はウィスカ108により金属パターン105eとエアブリッジ構造102がショートする。加熱時間が10分の場合は金属パターン105hとエアブリッジ構造104がショートする。   The longer the heating time of the semiconductor device, the longer the whisker grows upward. When the heating time is about 1 minute, the whisker height is h1, and when it is about 5 minutes, the whisker height is h2, and when it is about 10 minutes, the whisker height is h3. Therefore, as shown in FIG. 19, when the heating time is 1 minute, the metal pattern 105 b and the air bridge structure 100 are short-circuited by the whisker 106. When the heating time is 5 minutes, the metal pattern 105e and the air bridge structure 102 are short-circuited by the whisker 108. When the heating time is 10 minutes, the metal pattern 105h and the air bridge structure 104 are short-circuited.

したがって、半導体デバイスが予め定められた閾値以上の温度のストレスをどの程度の時間受けたのか容易に検出することができる。このように、実施の形態3に係るウィスカ検出回路は熱ストレスを受けた時間を計測するものであるから、すべての金属パターン105a-105iは同じ材料で形成することが好ましい。エアブリッジの直上部からその直上部の直下の金属パターンまでの距離は任意に設定できる。ウィスカ検出回路の数も任意に設定できる。   Therefore, it is possible to easily detect how long the semiconductor device has been subjected to stress at a temperature equal to or higher than a predetermined threshold. As described above, since the whisker detection circuit according to the third embodiment measures the time during which heat stress is applied, it is preferable that all the metal patterns 105a to 105i are formed of the same material. The distance from the upper part of the air bridge to the metal pattern immediately below the upper part can be arbitrarily set. The number of whisker detection circuits can also be set arbitrarily.

実施の形態4.
図20は、実施の形態4に係る半導体デバイスの平面図である。金属パターン150はSnで形成されている。図21は、図20の破線における断面図である。金属パターン150は、金属パターン150a、150b、150c、150d、105eを備えている。半導体デバイス内部が高温高湿(例えば、60℃/90%以上(60℃/90%以上とは温度が60℃以上で湿度が90%以上であることを示す、以下同じ))となるストレスを受けた場合には、Snで形成された金属パターン150の表面が酸化して体積が膨張する。そのため、金属パターン150cの表面に圧縮応力152が発生する。この圧縮応力により、金属パターン150cからウィスカ154が発生し、金属パターン150cとエアブリッジ構造32がショートする。このショートを監視部又は外観観察により検出することで、半導体デバイスが受けたストレスを検出できる。
Embodiment 4 FIG.
FIG. 20 is a plan view of a semiconductor device according to the fourth embodiment. The metal pattern 150 is made of Sn. 21 is a cross-sectional view taken along the broken line in FIG. The metal pattern 150 includes metal patterns 150a, 150b, 150c, 150d, and 105e. Stress that causes high temperature and high humidity inside the semiconductor device (for example, 60 ° C./90% or more (60 ° C./90% or more means that the temperature is 60 ° C. or more and the humidity is 90% or more)) When received, the surface of the metal pattern 150 made of Sn is oxidized and the volume expands. Therefore, a compressive stress 152 is generated on the surface of the metal pattern 150c. Due to this compressive stress, whiskers 154 are generated from the metal pattern 150c, and the metal pattern 150c and the air bridge structure 32 are short-circuited. By detecting this short circuit by a monitoring unit or appearance observation, it is possible to detect the stress applied to the semiconductor device.

金属パターン150をSnで形成することで、半導体デバイスが温度と湿度によるストレスをどの程度受けたか検出できる。ウィスカの発生温度を調整するために、SnにBi又はPb等を加えて合金化したり、金属パターンのサイズ又は厚みを変えたりしてもよい。なお、金属パターン150の厚みは例えば0.1〜10μmの範囲で変動させる。   By forming the metal pattern 150 with Sn, it is possible to detect how much the semiconductor device has been subjected to stress due to temperature and humidity. In order to adjust the whisker generation temperature, Sn or Bi may be added to Sn for alloying, or the size or thickness of the metal pattern may be changed. Note that the thickness of the metal pattern 150 is varied in the range of 0.1 to 10 μm, for example.

図22は、変形例に係るウィスカ検出回路の断面図である。金属パターン160aは30℃以上かつ90%以上の湿度でウィスカを発生し、金属パターン160bは40℃以上かつ90%以上の湿度でウィスカを発生し、金属パターン160cは60℃かつ90%以上の湿度でウィスカを発生する。ウィスカの発生温度は、Snの合金化又はサイズと厚みの調節などにより調整する。ウィスカ162、164、166の有無を調査することで、半導体デバイスが受けたストレスを精度よく検出できる。   FIG. 22 is a cross-sectional view of a whisker detection circuit according to a modification. The metal pattern 160a generates whiskers at a temperature of 30 ° C. or higher and 90% or higher, the metal pattern 160b generates whiskers at a temperature of 40 ° C. or higher and 90% or higher, and the metal pattern 160c has a humidity of 60 ° C. and 90% or higher. A whisker is generated. The whisker generation temperature is adjusted by alloying Sn or adjusting the size and thickness. By investigating the presence or absence of the whiskers 162, 164, 166, the stress applied to the semiconductor device can be accurately detected.

図23は、他の変形例に係るウィスカ検出回路の断面図である。エアブリッジの直上部100a、102a、104aと金属パターン170a、170b、170cの距離を不均一とした。予め定められた高温高湿状態が10時間継続した場合に金属パターン170aとエアブリッジ構造100がウィスカ172によってショートする。予め定められた高温高湿状態が100時間継続した場合に金属パターン170bとエアブリッジ構造102がウィスカ174によってショートする。予め定められた高温高湿状態が1000時間継続した場合に金属パターン170cとエアブリッジ構造104がウィスカ174によってショートする。こうして、高温高湿ストレスを受けた時間を計測することができる。   FIG. 23 is a cross-sectional view of a whisker detection circuit according to another modification. The distances between the upper portions 100a, 102a, and 104a of the air bridge and the metal patterns 170a, 170b, and 170c were not uniform. When the predetermined high temperature and high humidity state continues for 10 hours, the metal pattern 170 a and the air bridge structure 100 are short-circuited by the whisker 172. When the predetermined high temperature and high humidity state continues for 100 hours, the metal pattern 170b and the air bridge structure 102 are short-circuited by the whisker 174. When the predetermined high temperature and high humidity state continues for 1000 hours, the metal pattern 170 c and the air bridge structure 104 are short-circuited by the whisker 174. In this way, it is possible to measure the time during which high temperature and high humidity stress is applied.

実施の形態5.
図24は、実施の形態5に係る半導体デバイスの平面図である。金属パターン200はZnで形成されている。図25は、図24の破線における断面図である。金属パターン200は、金属パターン200a、200b、200c、200d、200eを備えている。半導体デバイスが急激な温度変化(例えば、−40℃から85℃までの温度変化)のストレスを繰り返し受けた場合、半導体基板14と金属パターン200の熱膨張率差に起因した膨張圧縮応力202が発生する。この膨張圧縮応力により、金属パターン200dからウィスカ204が発生し、金属パターン200dとエアブリッジ構造32がショートする。このショートを監視部又は外観観察により検出することで、半導体デバイスが受けたストレス(急激な温度変化)を検出できる。
Embodiment 5 FIG.
FIG. 24 is a plan view of the semiconductor device according to the fifth embodiment. The metal pattern 200 is made of Zn. 25 is a cross-sectional view taken along the broken line in FIG. The metal pattern 200 includes metal patterns 200a, 200b, 200c, 200d, and 200e. When a semiconductor device is repeatedly subjected to a stress of a sudden temperature change (for example, a temperature change from −40 ° C. to 85 ° C.), an expansion / compression stress 202 is generated due to a difference in thermal expansion coefficient between the semiconductor substrate 14 and the metal pattern 200 To do. Due to the expansion and compression stress, whiskers 204 are generated from the metal pattern 200d, and the metal pattern 200d and the air bridge structure 32 are short-circuited. By detecting this short circuit by a monitoring unit or external observation, it is possible to detect stress (abrupt temperature change) applied to the semiconductor device.

金属パターンをZnで形成することで、半導体デバイスが温度変化によるストレスを受けたか判定できる。ウィスカの発生温度を調整するために、ZnにBi又はPb等を加えて合金化したり、金属パターンのサイズ又は厚みを変えたりしてもよい。なお、金属パターンの厚みは例えば0.1〜10μmの範囲で変動させる。   By forming the metal pattern with Zn, it can be determined whether the semiconductor device has been subjected to stress due to temperature change. In order to adjust the temperature at which whiskers are generated, Bi or Pb or the like may be added to Zn for alloying, or the size or thickness of the metal pattern may be changed. The thickness of the metal pattern is varied in the range of 0.1 to 10 μm, for example.

図26は、変形例に係るウィスカ検出回路の断面図である。金属パターン210aは−40℃から85℃までの温度変化を受けるとウィスカ212が成長するものである。金属パターン210bは−55℃から125℃までの温度変化を受けるとウィスカ214が成長するものである。金属パターン210cは−65℃から175℃までの温度変化を受けるとウィスカ216が成長するものである。ウィスカの発生温度は、Znの合金化又はサイズと厚み調節などにより調整する。ウィスカ212、214、216の有無を調査することで、半導体デバイスが受けたストレスを精度よく検出できる。   FIG. 26 is a cross-sectional view of a whisker detection circuit according to a modification. When the metal pattern 210a undergoes a temperature change from −40 ° C. to 85 ° C., the whisker 212 grows. When the metal pattern 210b is subjected to a temperature change from −55 ° C. to 125 ° C., the whisker 214 grows. When the metal pattern 210c undergoes a temperature change from −65 ° C. to 175 ° C., the whisker 216 grows. The whisker generation temperature is adjusted by alloying Zn or adjusting the size and thickness. By investigating the presence or absence of the whiskers 212, 214, 216, it is possible to accurately detect the stress applied to the semiconductor device.

図27は、他の変形例に係るウィスカ検出回路の断面図である。エアブリッジの直上部100a、102a、104aと金属パターン220a、220b、220cの距離を不均一とした。予め定められた温度変化によるストレスを10回受けた場合に金属パターン220aとエアブリッジ構造100がウィスカ222によってショートする。予め定められた温度変化によるストレスを100回受けた場合に金属パターン220bとエアブリッジ構造102がウィスカ224によってショートする。予め定められた温度変化によるストレスを1000回受けた場合に金属パターン220cとエアブリッジ構造104がウィスカ226によってショートする。このように温度変化によるストレスを受けた回数に応じてウィスカが成長する性質を利用して、温度変化によるストレスを受けた回数を計測することができる。   FIG. 27 is a cross-sectional view of a whisker detection circuit according to another modification. The distances between the upper portions 100a, 102a, and 104a of the air bridge and the metal patterns 220a, 220b, and 220c were not uniform. The metal pattern 220a and the air bridge structure 100 are short-circuited by the whisker 222 when subjected to stress due to a predetermined temperature change 10 times. When the stress due to a predetermined temperature change is received 100 times, the metal pattern 220b and the air bridge structure 102 are short-circuited by the whisker 224. The metal pattern 220 c and the air bridge structure 104 are short-circuited by the whisker 226 when subjected to stress due to a predetermined temperature change 1000 times. Thus, the number of times of stress due to temperature change can be measured by utilizing the property that whiskers grow according to the number of times of stress due to temperature change.

実施の形態6.
図28は、実施の形態6に係る半導体デバイスの平面図である。絶縁体で形成されたフレーム12とキャップ15(パッケージ)が電子回路を覆っている。パッケージの表面には金属パターン300a、300b、300cが露出している。図29は、図28の破線における断面図である。キャップ15の上には半導体基板302a、302b、302cが設けられている。半導体基板302a、302b、302cは例えばGaAs又はSiCで形成される。半導体基板302a、302b、302cの上にそれぞれ金属パターン300a、300b、300cが設けられている。金属パターン300aはAlであり、金属パターン300bはSnであり、金属パターン300cはZnである。
Embodiment 6 FIG.
FIG. 28 is a plan view of a semiconductor device according to the sixth embodiment. A frame 12 and a cap 15 (package) formed of an insulator cover the electronic circuit. Metal patterns 300a, 300b, and 300c are exposed on the surface of the package. 29 is a cross-sectional view taken along the broken line in FIG. On the cap 15, semiconductor substrates 302a, 302b, and 302c are provided. The semiconductor substrates 302a, 302b, and 302c are made of, for example, GaAs or SiC. Metal patterns 300a, 300b, and 300c are provided on the semiconductor substrates 302a, 302b, and 302c, respectively. The metal pattern 300a is Al, the metal pattern 300b is Sn, and the metal pattern 300c is Zn.

半導体デバイスが高温(例えば280℃以上)のストレスを受けた場合には、半導体基板302aと金属パターン300aの熱膨張率差に起因した応力によりウィスカ304が発生する。半導体デバイスが高温高湿(例えば60℃/90%以上)のストレスを受けた場合には、金属パターン300bの体積膨張に起因した応力によりウィスカ306が発生する。半導体デバイスが急激な温度変化(例えば−40℃から85℃)による環境ストレスを繰り返し受けた場合には半導体基板302cと金属パターン300cの熱膨張率差に起因した膨張圧縮応力によりウィスカ308が発生する。   When the semiconductor device is subjected to stress at a high temperature (for example, 280 ° C. or higher), whiskers 304 are generated due to the stress caused by the difference in thermal expansion coefficient between the semiconductor substrate 302a and the metal pattern 300a. When the semiconductor device is subjected to stress of high temperature and high humidity (for example, 60 ° C./90% or more), the whisker 306 is generated due to the stress caused by the volume expansion of the metal pattern 300b. When the semiconductor device is repeatedly subjected to environmental stress due to rapid temperature changes (for example, −40 ° C. to 85 ° C.), whiskers 308 are generated due to the expansion and compression stress resulting from the difference in thermal expansion coefficient between the semiconductor substrate 302c and the metal pattern 300c. .

このため、金属パターン300a、300b、300cの外観を観察しウィスカの有無を確認することで、半導体デバイスが受けた環境ストレスの履歴を非破壊で調べることができる。ウィスカの発生条件は、Al、Sn、Zn等のメタルをTa、Pd、In、Bi、Pd等で合金化することで調節することができる。またメタルのサイズ又は厚みを変えることでもウィスカの発生条件を調節することができる。厚みの範囲は例えば0.1〜10μmである。   Therefore, by observing the appearance of the metal patterns 300a, 300b, and 300c and confirming the presence or absence of whiskers, the history of environmental stress received by the semiconductor device can be examined nondestructively. Whisker generation conditions can be adjusted by alloying a metal such as Al, Sn, or Zn with Ta, Pd, In, Bi, Pd, or the like. In addition, whisker generation conditions can be adjusted by changing the size or thickness of the metal. The thickness range is, for example, 0.1 to 10 μm.

図30は、変形例に係る半導体デバイスの平面図である。金属パターン310a、310b、310cに幅狭部を設けることで、当該幅狭部に応力を集中させ、ウィスカの発生箇所を限定することができる。   FIG. 30 is a plan view of a semiconductor device according to a modification. By providing narrow portions in the metal patterns 310a, 310b, and 310c, stress can be concentrated on the narrow portions, and the locations where whiskers are generated can be limited.

図31は、他の変形例に係る半導体デバイスの平面図である。金属パターン312a、312bはAlを主成分とするパターンである。金属パターン312aは280℃で加熱されるとウィスカを発生させ、金属パターン312bは380℃で加熱されるとウィスカを発生させる。   FIG. 31 is a plan view of a semiconductor device according to another modification. The metal patterns 312a and 312b are patterns mainly composed of Al. The metal pattern 312a generates whiskers when heated at 280 ° C., and the metal pattern 312b generates whiskers when heated at 380 ° C.

金属パターン312c、312dはSnを主成分とするパターンである。金属パターン312cは高温高湿が10時間維持された場合にウィスカを発生させる。金属パターン312dは高温高湿が1000時間維持された場合にウィスカを発生させる。   The metal patterns 312c and 312d are patterns mainly composed of Sn. The metal pattern 312c generates whiskers when high temperature and high humidity are maintained for 10 hours. The metal pattern 312d generates whiskers when high temperature and high humidity are maintained for 1000 hours.

金属パターン312e、312fはZnを主成分とするパターンである。金属パターン312eは−40℃から85℃までの温度変化があるとウィスカを発生させる。金属パターン312fは−65℃から175℃までの温度変化があるとウィスカを発生させる。   The metal patterns 312e and 312f are patterns mainly composed of Zn. The metal pattern 312e generates whiskers when there is a temperature change from −40 ° C. to 85 ° C. The metal pattern 312f generates whiskers when there is a temperature change from −65 ° C. to 175 ° C.

このように、ウィスカの発生条件が異なる複数の金属パターンを設けることで、半導体デバイスが受けたストレスの検出精度を高めることができる。なお、金属パターンの下に設ける半導体基板は、金属パターンと同じ平面形状でもよいし、複数の金属パターンを形成できるように大面積で形成してもよい。   As described above, by providing a plurality of metal patterns having different whisker generation conditions, it is possible to improve the accuracy of detecting the stress applied to the semiconductor device. Note that the semiconductor substrate provided under the metal pattern may have the same planar shape as the metal pattern, or may have a large area so that a plurality of metal patterns can be formed.

図32は、他の変形例に係るウィスカ検出回路の断面図である。ウィスカはストレスを受けた時間に応じて縦方向に長く成長する。そのため、最初は左側の短いウィスカ304が発生し、ストレス印加時間が長くなると中央のやや長いウィスカ304となり、さらにストレス印加時間が長くなると右側の長いウィスカ304となる。したがって、ウィスカの高さを確認することで、ストレスを受けた時間を知ることができる。   FIG. 32 is a cross-sectional view of a whisker detection circuit according to another modification. Whiskers grow longer in the vertical direction depending on the time of stress. Therefore, a short whisker 304 on the left side is generated at the beginning. When the stress application time is long, the whisker 304 is slightly longer at the center, and when the stress application time is longer, the long whisker 304 is on the right side. Therefore, by confirming the height of the whisker, it is possible to know the time during which stress is received.

金属パターンの材料としてAl、Sn、Znを例示したが、例えばAgなどの他の材料を用いてもよい。なお、ここまでで説明した各実施の形態の特徴は適宜に組み合わせて用いてもよい。   Although Al, Sn, and Zn are exemplified as the metal pattern material, other materials such as Ag may be used. Note that the features of the embodiments described so far may be combined as appropriate.

10 半導体デバイス、 12 フレーム、 14 半導体基板、 15 キャップ、 16 端子、 20 電子回路、 22 配線パターン、 24 ワイヤ、 30 金属パターン、 32 エアブリッジ構造、 32a 柱状部、 32b 直上部、 32c 防護壁、 33 遮蔽壁、 52 ウィスカ、 60 監視部、 72 エアブリッジ構造   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Semiconductor device, 12 Frame, 14 Semiconductor substrate, 15 Cap, 16 Terminal, 20 Electronic circuit, 22 Wiring pattern, 24 Wire, 30 Metal pattern, 32 Air bridge structure, 32a Columnar part, 32b Directly upper part, 32c Protective wall, 33 Shielding wall, 52 whiskers, 60 monitoring section, 72 air bridge structure

Claims (15)

半導体基板と、
前記半導体基板の上に設けられた電子回路と、
前記半導体基板の上に設けられた金属パターンと、
前記金属パターンの横に位置する柱状部と、前記柱状部とつながり前記金属パターンの直上に位置する直上部と、を有し、前記金属パターンと接触せず、導体で形成されたエアブリッジ構造と、を備え、
前記金属パターン及び前記エアブリッジ構造は、前記電子回路と電気的に接触しないことを特徴とする半導体デバイス。
A semiconductor substrate;
An electronic circuit provided on the semiconductor substrate;
A metal pattern provided on the semiconductor substrate;
An air bridge structure having a columnar part located beside the metal pattern, and an upper part directly connected to the columnar part and located immediately above the metal pattern, and not formed in contact with the metal pattern and formed of a conductor; With
The metal pattern and the air bridge structure are not in electrical contact with the electronic circuit.
前記エアブリッジ構造に電気的に接続され、外部に伸びる第1端子と、
前記金属パターンに電気的に接続され、外部に伸びる第2端子と、を備えたことを特徴とする請求項1に記載の半導体デバイス。
A first terminal electrically connected to the air bridge structure and extending to the outside;
The semiconductor device according to claim 1, further comprising a second terminal electrically connected to the metal pattern and extending to the outside.
前記金属パターンを複数有し、
前記エアブリッジ構造を複数有し、
複数の前記金属パターンのウィスカの発生条件が異なることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体デバイス。
A plurality of the metal patterns;
A plurality of air bridge structures;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the plurality of metal patterns have different whisker generation conditions.
前記金属パターンを複数有し、
前記エアブリッジ構造を複数有し、
複数の前記エアブリッジ構造の前記直上部の高さが不均一となることで、前記直上部から、前記直上部の直下の前記金属パターンまでの距離が不均一となっていることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体デバイス。
A plurality of the metal patterns;
A plurality of air bridge structures;
The height of the portion directly above the plurality of air bridge structures is non-uniform so that the distance from the top portion to the metal pattern directly below the top portion is non-uniform. The semiconductor device according to claim 1 or 2.
前記柱状部は、前記電子回路と前記金属パターンの間にあることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体デバイス。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the columnar portion is between the electronic circuit and the metal pattern. 前記金属パターンから伸びるウィスカが前記電子回路に達しないように前記金属パターンを囲む遮蔽壁を備えたことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体デバイス。   The semiconductor device according to claim 1, further comprising a shielding wall surrounding the metal pattern so that whiskers extending from the metal pattern do not reach the electronic circuit. 前記半導体基板の上にAuで形成され、前記電子回路と電気的に接続された、Auパターンを備えたことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の半導体デバイス。   The semiconductor device according to claim 1, further comprising an Au pattern formed of Au on the semiconductor substrate and electrically connected to the electronic circuit. 前記半導体基板の上に前記金属パターンと同じ材料で形成された土台部と、
前記土台部の上に設けられたバリアメタルと、を備え、
前記柱状部は前記バリアメタルの上に設けられたことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の半導体デバイス。
A base portion formed of the same material as the metal pattern on the semiconductor substrate;
A barrier metal provided on the base part,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the columnar portion is provided on the barrier metal.
前記金属パターンの一部は平面視で他の部分より幅が狭い幅狭部であり、
前記幅狭部は前記直上部の直下に位置することを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の半導体デバイス。
A part of the metal pattern is a narrow part narrower than the other part in plan view,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the narrow portion is located immediately below the upper portion.
前記金属パターンには凹部が形成され、
前記凹部は前記直上部の直下に位置することを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の半導体デバイス。
A concave portion is formed in the metal pattern,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the concave portion is located immediately below the upper portion.
電子回路と、
前記電子回路を覆う、絶縁体で形成されたパッケージと、
前記パッケージの上に設けられた半導体基板と、
前記半導体基板の上に設けられた金属パターンと、を備えたことを特徴とする半導体デバイス。
Electronic circuit,
A package formed of an insulator covering the electronic circuit;
A semiconductor substrate provided on the package;
And a metal pattern provided on the semiconductor substrate.
前記半導体基板を複数有し、
前記金属パターンを複数有し、
複数の前記金属パターンのウィスカの発生条件が異なることを特徴とする請求項11に記載の半導体デバイス。
A plurality of the semiconductor substrates;
A plurality of the metal patterns;
The semiconductor device according to claim 11, wherein conditions for generating whiskers of the plurality of metal patterns are different.
前記金属パターンはAl、Sn又はZnで形成され、
前記半導体基板は化合物半導体で形成されたことを特徴とする請求項1〜12のいずれか1項に記載の半導体デバイス。
The metal pattern is formed of Al, Sn or Zn,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor substrate is formed of a compound semiconductor.
前記金属パターンの一部は平面視で他の部分より幅が狭い幅狭部であることを特徴とする請求項11又は12に記載の半導体デバイス。   13. The semiconductor device according to claim 11, wherein a part of the metal pattern is a narrow part narrower than another part in a plan view. 前記金属パターンには凹部が形成されたことを特徴とする請求項11又は12に記載の半導体デバイス。   The semiconductor device according to claim 11, wherein a recess is formed in the metal pattern.
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