JP2018067623A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 はんだの流れ出しを防止すると共に、第２金属膜と保護膜が剥離し難い半導体装置を提供する。
【解決手段】 本明細書が開示する半導体装置は、半導体基板と、半導体基板の表面を覆う第１金属膜と、第１金属膜の表面の外周部を覆う保護膜と、第１金属膜の表面の中央部から保護膜の表面に跨る範囲を覆う第２金属膜と、を有する。第２金属膜の表面の保護膜を覆う範囲の表面には、突起部が配置されている。
【選択図】図２

Description

本明細書に開示の技術は、半導体装置に関する。

特許文献１には、半導体基板と、半導体基板の表面を覆う第１金属膜と、第１金属膜の表面の外周部を覆う保護膜と、第１金属膜の表面の中央部から保護膜の表面に跨る範囲を覆う第２金属膜を有する半導体装置が開示されている。
特許文献２には、半導体基板の表面の金属膜を、はんだによって外部のヒートシンクブロックに接続した構造が開示されている。はんだ層によって、金属膜がヒートシンクブロックに対して電気的に接続されている。
特許文献３には、半導体基板の表面に配置される保護膜などの部材に凹部を設けることで、はんだの流れ出しを防止することが開示されている。

特開２０１０−２７２７１１号公報 特開２００８−２１０８２９号公報 特開２０１３−０３８２７７号公報

特許文献１に開示される半導体装置の第２金属膜を、はんだによってヒートシンクブロックに接続する構造がある。この場合、放熱性を高めるために、ヒートシンクブロックのはんだ接合面の面積と、半導体基板の表面を覆う第１金属膜の表面の中心部の面積は略等しい。また、ヒートシンクブロックのはんだ接合面と、第１金属膜の表面の中心部が、上面視にて重なるように、ヒートシンクブロックが接続される。そのため、はんだの流れ出しを防止するために、特許文献３の技術を適用すると、第２金属膜の保護膜の表面を覆う範囲の表面に、凹部を形成することになる。

第２金属膜には、はんだの中心に向かう引張り応力が生じている。第２金属膜に凹部を形成すると、凹部に引張り応力が集中する。そのため、第２金属膜と保護膜とが剥離し、半導体装置の電気的特性に異常が生じることが考えられる。

したがって、本明細書では、はんだの流れ出しを防止すると共に、第２金属膜と保護膜が剥離し難い半導体装置を開示する。

本明細書に開示する半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板の表面を覆う第１金属膜と、第１金属膜の表面の外周部を覆う保護膜と、第１金属膜の表面の中央部から保護膜の表面に跨る範囲を覆う第２金属膜と、を有する。この半導体装置は、第２金属膜の表面の前記保護膜を覆う範囲の表面に、突起部が配置されていることを特徴とする。

上記の半導体装置では、第２金属膜の表面の前記保護膜を覆う範囲の表面に、突起部が配置されている。このような構成によれば、突起部によって、はんだの流れ出しを防止することができる。従って、第２金属膜の表面に、はんだの流れ出しを防止するための凹部を形成する必要がない。あるいは、凹部を形成したとしても、その深さを極めて浅くすることができる。これにより、はんだから第２金属膜に加わる応力が、一点に集中することが抑制される。そのため、第２金属膜と保護膜が剥離し難い。

実施形態に係る半導体装置の断面図である。 図１の範囲ＩＩの拡大図である。 実施形態に係る半導体装置が備える半導体素子の上面図である。 比較形態に係る半導体装置の図２に対応する断面図である。 変形例に係る半導体装置の図３に対応する上面図である。 変形例に係る半導体装置の図３に対応する上面図である。

図１に示すように、実施形態に係る半導体装置１０は、半導体素子２０と、ヒートシンクブロック８０と、表面側放熱板８１と、裏面側放熱板８２と、封止樹脂８３を備えている。半導体素子２０は、半導体基板と、表面電極と、裏面電極を有している。なお、図１では、表面電極と裏面電極の図示が省略されている。ヒートシンクブロック８０は、はんだ層９１を介して半導体素子２０の表面電極に固定されている。表面側放熱板８１は、はんだ層９２を介してヒートシンクブロック８０の表面に固定されている。裏面側放熱板８２は、はんだ層９３を介して半導体素子２０の裏面電極に固定されている。封止樹脂８３は、表面側放熱板８１の下面、ヒートシンクブロック８０、半導体素子２０及び裏面側放熱板８２の上面を覆っている。

半導体素子２０としては、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、またはダイオード等を用いることができる。半導体素子２０は、動作中に発熱する。図２に示すように、半導体素子２０は、半導体基板２４と、表面電極２３と、突起部２５と、保護膜２６と、裏面電極２８を有している。

半導体基板２４は、板状であり、例えばシリコン（Ｓｉ）や炭化ケイ素（ＳｉＣ）等により構成されている。

表面電極２３と保護膜２６は、半導体基板２４上に設けられている。表面電極２３は、第１金属膜２１と第２金属膜２２を有している。第２金属膜２２の表面には、突起部２５が設けられている。

図３は半導体素子２０の上面図である。図３に示すように、半導体基板２４の表面に、第１金属膜２１が設けられている。第１金属膜２１は、半導体基板２４の表面を覆っている。第１金属膜２１は、導電性を有しており、例えばアルミニウム合金（ＡｌＳｉ）により構成されている。

保護膜２６は、樹脂により構成されており、絶縁性を有している。保護膜２６は、例えばポリイミドにより構成されている。図２、３に示すように、保護膜２６は、第１金属膜２１に覆われていない範囲の半導体基板２４の表面と、第１金属膜２１の表面の外周部を覆っている。保護膜２６は、第１金属膜２１の上部に開口部５２を有している。開口部５２内に、第１金属膜２１の表面の中央部が配置されている。したがって、第１金属膜２１の表面の中央部は、保護膜２６に覆われていない。

第２金属膜２２は、導電性を有しており、例えばニッケル（Ｎｉ）により構成されている。図２に示すように、第２金属膜２２は、第１金属膜２１の表面の中央部から保護膜２６の表面に跨る範囲を覆っている。第２金属膜の中央側の部分は、第１金属膜２１の表面の中央部を覆っている。第２金属膜２２の外周側の部分５６は、保護膜２６の上部に乗り上げている。以下では、第２金属膜２２の保護膜２６の上部に配置されている部分５６を、乗り上げ部５６と称する。乗り上げ部５６の表面には、突起部２５が形成されている。突起部２５は、開口部５２（すなわち、第１金属膜２１の中央部）を囲むように環状に伸びている。突起部２５は、例えばアルミニウム合金（ＡｌＳｉ）など、はんだの濡れ性が悪い材料で形成されている。第２金属膜２２の表面は、はんだ層９１に覆われている。はんだ層９１は、第２金属膜２２の表面のうち、突起部２５で囲まれた範囲の表面を覆っている。はんだ層９１は、第２金属膜２２の表面のうち、突起部２５よりも外周側に位置する範囲の表面を覆っていない。はんだ層９１の端部は、突起部２５の内周側の側面に接している。はんだ層９１は、はんだ付け工程において、第２金属膜２２の表面のうち、突起部２５で囲まれた範囲の表面に濡れ広がる。すなわち、はんだ層９１の濡れ広がりは、突起部２５により堰き止められる。

第２金属膜２２には、はんだ層９１の中心に向かう引張り応力が加わっている。はんだ層９１は、高温の溶融状態で第２金属膜２２の表面に形成され、その後、冷えて固化する際に収縮する。したがって、はんだ層９１から、第２金属膜２２に対して、はんだ層の中心に向かう応力が生じる。

比較形態に係る半導体装置１１０の構造を図４に示す。図４は、実施形態に係る半導体装置１０の断面図である図２に対応する図である。なお、実施形態に係る半導体装置１０と同様の構成については、同一の参照符号を付すことにより説明を省略する。図４に示すように、比較形態に係る半導体装置１１０では、第２金属膜２２の乗り上げ部５６の表面に突起部２５が形成されていない。乗り上げ部５６には、凹部２７が形成されている。凹部２７は、開口部５２（すなわち、第１金属膜２１の中央部）を囲むように環状に伸びている。第２金属膜２２の表面は、はんだ層９１に覆われている。はんだ層９１は、第２金属膜２２の表面のうち、凹部２７で囲まれた範囲の表面を覆っている。はんだ層９１は、第２金属膜２２の表面のうち、凹部２７よりも外周側に位置する範囲の表面を覆っていない。はんだ層９１は、凹部２７内に配置されている。はんだ層９１は、はんだ付け工程において、第２金属膜２２の表面のうち、凹部２７で囲まれた範囲の表面に濡れ広がる。すなわち、はんだ層９１の濡れ広がりは、凹部２７により堰き止められる。

第２金属膜２２には、はんだ層９１から、はんだ層９１の中心に向かう応力が加わっている。はんだ層９１は、高温の溶融状態で第２金属膜２２の表面に形成され、その後、冷えて固化する際に収縮する。したがって、はんだ層９１から、第２金属膜２２に対して、はんだ層の中心に向かう応力が生じる。比較形態に係る半導体装置１１０では、第２金属膜２２の乗り上げ部５６の表面に、凹部２７が形成されている。凹部２７内には、はんだ層９１が配置されている。そのため、はんだ層９１から第２金属膜２２に加わる応力が、凹部２７に集中する。したがって、第２金属膜２２と保護膜２６が剥離し易い。

一方で、実施形態に係る半導体装置１では、第２金属膜２２の乗り上げ部５６の表面に、凹部２７が形成されていない。これにより、はんだ層９１から第２金属膜２２に加わる応力が、ある一点に集中することが抑制される。そのため、第２金属膜と保護膜が剥離し難い。また、突起部は、第１金属膜の中央部を囲むように環状に配置されている。このような構成によれば、突起部によって、はんだの流れ出しを防止することができる。

なお、上述した実施形態において、第２金属膜２２がニッケルにより構成されていた。しかしながら、第２金属膜２２が、はんだ接合可能な他の金属によって構成されていてもよい。例えば、第２金属膜２２が、金、銀、銅、錫等により構成されていてもよい。

上述した実施形態において、突起部２５がアルミニウム合金により構成されていた。しかしながら、突起部２５が、はんだの濡れ性が悪い他の材料によって構成されていてもよい。例えば、突起部２５が、ポリイミド等の樹脂により構成されていてもよい。

上述した実施形態において、突起部２５が、第１金属膜の中央部を囲むように環状に配置されている構造を開示した。しかし、突起部２５は、第１金属膜の中央部を囲っていなくてもよい。例えば、図５に示すように、第１金属膜の中央部が四角形状である場合、四角形の各辺に沿って突起部を形成してもよい。または、図６に示すように、四角形の角部に沿って突起部を形成してもよい。

以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。

１０ ：半導体装置
２０ ：半導体素子
２１ ：第１金属膜
２２ ：第２金属膜
２３ ：表面電極
２４ ：半導体基板
２５ ：突起部
２６ ：保護膜
２７ ：凹部
２８ ：裏面電極
５２ ：開口部
５６ ：乗り上げ部
８０ ：ヒートシンクブロック
８１ ：表面側放熱板
８２ ：裏面側放熱板
８３ ：封止樹脂

実施形態に係る半導体装置の断面図である。 図１の範囲ＩＩの拡大図である。 実施形態に係る半導体装置が備える半導体素子の上面図である。 比較形態に係る半導体装置の図２に対応する断面図である。 変形例に係る半導体装置の図３に対応する上面図である。

Claims (1)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板の表面を覆う第１金属膜と、
   前記第１金属膜の表面の外周部を覆う保護膜と、
   前記第１金属膜の表面の中央部から前記保護膜の表面に跨る範囲を覆う第２金属膜と、
   を有する半導体装置であって、
   前記第２金属膜の表面の前記保護膜を覆う範囲の表面には、突起部が配置されている、半導体装置。

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