JP2018129390A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、半導体チップと金属板がハンダで接合されており、半導体チップと接合部が樹脂パッケージでモールドされている半導体装置に関し、半導体チップの側面のクラックの成長を抑制する技術を提供する。【解決手段】半導体装置２は、樹脂パッケージ１０にモールドされた半導体チップ３と、ハンダ７を介して半導体チップ３の平坦面３ａと接合されている金属板４を備える。平坦面３ａの縁に沿って、ハンダ７と接合しない接合防止膜２２が設けられている。平坦面３ａの縁ではハンダ７が半導体チップ３に接合していないので、ハンダ７が収縮する際に縁の周辺がハンダ７に引っ張られることがない。【選択図】図２

Description

本明細書が開示する技術は、半導体チップの表面電極と金属板がハンダで接合されており、接合部分と半導体チップが樹脂でモールドされている半導体装置に関する。

上記した半導体装置が例えば特許文献１に開示されている。半導体チップとハンダの線膨張率が異なるため、ハンダが凝固する際、ハンダによる接合部分に近い半導体チップの縁にクラックが生じるおそれがある。また、半導体装置の使用により半導体チップが発熱と冷却を繰り返し、その熱サイクルによってもクラックが発生／成長するおそれもある。特許文献１の半導体装置では、クラックの発生／成長を抑えるべく、半導体チップのハンダと接合する平坦面の角と辺に面取りが施されている。

特開２００６−３５１９５０号公報

特許文献１の技術では、半導体チップの縁に面取りという機械加工を施す必要がある。一方、半導体ウエハから半導体チップを切り出す際、ウエハ切断時の衝撃により扁平な半導体チップの側面（幅広の平坦面と交差する幅狭面）にクラックが生じることがある。半導体チップの縁への機械加工は、半導体チップ切り出し時に発生したクラックを成長させる結果になりかねない。本明細書が開示する技術は、機械加工を要することなく、ハンダに近い半導体チップの縁の周辺におけるクラックの成長を抑制する技術を提供する。

本明細書が開示する半導体装置は、一つの平坦面に電極が設けられている半導体チップと、平坦面にハンダを介して接合されている金属板と、樹脂パッケージを備えている。樹脂パッケージは、半導体チップと、半導体チップと金属板との接合部分をモールドしている。そして、本明細書が開示する半導体装置は、半導体チップの上記平坦面の縁を一巡するように、ハンダと接合しない接合防止膜が設けられている。

半導体チップの平坦面の全面がハンダで金属板に接合している場合、ハンダが収縮する際、平坦面の縁ではハンダが平坦面の表層を引きはがす方向に力が作用する。この力が、半導体チップの側面（ハンダで接合している平坦面と交差する側面）のクラックを助長する。上記の半導体装置では、接合防止膜により、半導体チップの平坦面の縁ではハンダが半導体チップを引っ張らない。それゆえ、ハンダに近い半導体チップの縁におけるクラックの拡大が抑えられる。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の半導体装置の断面図である。 図１の符号IIが示す範囲の拡大図である。 半導体チップの平坦面の平面図である。 接合防止膜を備えない半導体チップに生じる力を説明する図である（比較例）。 接合防止膜を備える半導体チップに生じる力を説明する図である。 接合防止膜の第１変形例の平面図である。 接合防止膜の第２変形例の平面図である。 接合防止膜の第３変形例の平面図である。

図面を参照して実施例の半導体装置を説明する。図１に、半導体装置２の断面図を示す。半導体装置２は、半導体チップ３を樹脂パッケージ１０でモールドしたデバイスである。半導体チップ３は、トランジスタである。半導体チップ３は、扁平であり、その一方の平坦面（幅広面）の全面にコレクタ電極が設けられており、他方の平坦面（幅広面）にエミッタ電極とゲート電極が設けられている。図１では、半導体チップ３の下側の平坦面３ａにコレクタ電極が設けられており、上側の平坦面３ｂにゲート電極とエミッタ電極が設けられている。下側の平坦面３ａは、その全面にコレクタ電極が設けられている。半導体チップ３の下側の平坦面３ａ（即ちコレクタ電極）がハンダ７で第１金属板４に接合されている。半導体チップ３の上側の平坦面３ｂのうち、エミッタ電極が設けられている部分がハンダ８で金属スペーサ５に接合されている。金属スペーサ５の反対側はハンダ９で第２金属板６に接合されている。半導体チップ３と、金属スペーサ５と、第１金属板４と、第２金属板６は、樹脂パッケージ１０に埋設されている。ただし、第１金属板４の一方の面、及び、第２金属板６の一方の面は、樹脂パッケージ１０から露出している。別言すれば、樹脂パッケージ１０は、半導体チップ３と、半導体チップ３と第１金属板４の接合部分、半導体チップ３と金属スペーサ５と第２金属板６の接合部分をモールドしている。

第１金属板４は、半導体チップ３のコレクタ電極と外部の装置を電気的に接続する端子であるとともに、半導体チップ３の熱を樹脂パッケージ１０の外部に放出する放熱板を兼ねている。第２金属板６は、半導体チップ３のエミッタ電極と外部の装置を電気的に接続する端子であるとともに、半導体チップ３の熱を樹脂パッケージ１０の外部に放出する放熱板を兼ねている。樹脂パッケージ１０の側面からゲート端子１２が延びている。ゲート端子１２は、樹脂パッケージ１０の内部で半導体チップ３のゲート電極と金属ワイヤ１３で接続されている。

図１において符号IIが示す範囲の拡大図を図２に示す。図２は、半導体チップ３のコレクタ電極３２が設けられている平坦面３ａと、幅狭の側面３ｃとが交差する縁の周辺の拡大図である。先に述べたように、コレクタ電極３２は、半導体チップ３の一つの平坦面３ａの全体に設けられている。図２において、符号３１は、半導体チップ３のシリコン基板を示している。シリコン基板３１の内部に半導体素子が形成されているが、図２では、半導体素子の構造は省略しており、シリコン基板３１の断面を単純なハッチングで示してある。

コレクタ電極３２は、例えばニッケルメッキが施された銅で作られている。ニッケルメッキは、大気に触れると酸化が進む。電極表面の酸化膜は導電性を損なうため、半導体チップ３の製造時に、コレクタ電極３２の表面に酸化防止膜２１が設けられる。酸化防止膜２１は、例えば、非常に安定な金属であり酸化をほとんど生じない金のメッキ層である。ただし、酸化防止膜２１は、半導体チップ３の平坦面３ａの縁から幅Ｗの周辺部を除く、その内側に設けられている。図３に半導体チップ３の平坦面３ａの平面図を示す。先に述べたように、平坦面３ａの全体がコレクタ電極に相当する。平坦面３ａの縁から幅Ｗの範囲のその内側に、酸化防止膜２１が設けられている。酸化防止膜が設けられていない範囲では、半導体チップ３の製造時から樹脂パッケージ１０に封止されるまでの間に表層の酸化が進み、金属酸化膜２２が形成される。金属酸化膜２２は、半導体チップ３の平坦面３ａの縁に沿って一巡するように形成される。なお、図３の例では、符号２２ａが示す部位（金属酸化膜２２と酸化防止膜２１の境界の矩形角部）が円弧になっているが、この部位は、直角であっても多角形であってもよい。

図２に戻って、半導体チップ３の縁の周辺におけるハンダ７との関係について説明する。ハンダ７は、酸化防止膜２１を介して半導体チップ３と強く接合するが、金属酸化膜２２とは接合しない。従って図２に示すように、ハンダ７は、酸化防止膜２１を介して半導体チップ３の平坦面３ａと接合し、平坦面３ａの縁を含む幅Ｗの範囲（金属酸化膜２２が形成された範囲）では半導体チップ３と接合しない。金属酸化膜２２は、ハンダを接合させない接合防止膜と表現してよい。この構造は、半導体チップ３の平坦面３ａの縁の周辺（特に、平坦面と交差する幅狭の側面３ｃ）に生じたクラックの成長を抑えるのに貢献する。

図４と図５を参照して、金属酸化膜２２によって平坦面３ａの周囲がハンダ７と接合しないことの利点を説明する。図４と図５では、半導体チップ３の側面３ｃにクラック４０が生じているものとする。図４は、比較例であり、金属酸化膜２２を備えない半導体チップ３に生じる力を説明する図である。半導体チップ３は、平坦面３ａの全面でハンダ１０７により第１金属板４に接合している。ハンダ１０７は、半導体チップ３を接合する際の溶融／凝固のときの温度変化で膨張／収縮する。特に、凝固の際、ハンダ１０７は、半導体チップ３と第１金属板４を接合しつつ矢印Ａ１の方向に収縮する。ハンダ１０７は、半導体チップ３の平坦面３ａの全体に接合している。それゆえ、半導体チップ３の側面３ｃの付近では、半導体チップ３の表層は、矢印Ａ２の方向に引っ張られることになる。この力は、側面３ｃに生じたクラック４０を開く方向に作用し、クラック４０を成長させてしまう。半導体チップ３の使用時の熱サイクルでも同様の力が生じ得る。

一方、図５は、実施例の半導体装置２の断面図である。図５は、図２にクラック４０と説明用の矢印を加えた図である。半導体装置２では、コレクタ電極３２が設けられた平坦面３ａの縁の周囲（縁から幅Ｗの範囲）に金属酸化膜２２が設けられており、金属酸化膜２２にはハンダ７が接合しない。ハンダ７は凝固の際、矢印Ａ１１の方向に収縮する。このとき、半導体チップ３は、縁から幅Ｗの範囲の内側で、矢印Ａ１２の方向に引っ張られることになる。一方、金属酸化膜２２が設けられた幅Ｗの範囲では、平坦面３ａに樹脂パッケージ１０が接している。半導体チップ３の縁から幅Ｗの範囲の内側は、ハンダ７に引っ張られて矢印Ａ１２の方向に移動しようするが、金属酸化膜２２の下側では樹脂パッケージ１０から抵抗を受ける。別言すれば、樹脂パッケージ１０が半導体チップ３の縁の付近を矢印Ａ１３の方向へ押し返す。その結果、半導体チップ３の縁の周辺では、矢印Ａ１４の方向、即ち、クラック４０を閉じる方向の力が作用する。図５で説明した事象は、半導体チップ３の平坦面３ａを一巡する側面３ｃのどこでも同様に生じる。

以上の通り、半導体チップ３は、平坦面３ａの縁に沿って、縁を一巡するハンダ７が接合しない幅Ｗの金属酸化膜２２（接合防止膜）を備えることで、側面３ｃのクラック４０の成長を抑制することができる。

平坦面３ａの縁から幅Ｗの範囲に設けられる膜は、金属酸化膜２２に限らず、ハンダの接合を防止する性質のものであればなんでもよい。以下では、平坦面３ａの縁に沿って設けられたハンダ接合を防止する膜を接合防止膜と称する。図６−図８を参照して、接合防止膜の変形例を説明する。接合防止膜は、平坦面３ａの縁に沿って一巡するように二重に設けられていてもよい（図６）。図６の例では、縁に接するように第１接合防止膜２２ａが設けられており、その内側に第２接合防止膜２２ｂが設けられている。第２接合防止膜２２ｂの内側は、酸化防止膜２１が設けられており、その酸化防止膜２１を介して半導体チップ３は第１金属板４と接合する。第１接合防止膜２２ａと第２接合防止膜２２ｂの範囲ではハンダは接合しない。例えば、第１接合防止膜２２ａは、ハンダが接合しない樹脂製であり、第２接合防止膜２２ｂは、酸化防止剤を塗布しないことによって形成される金属酸化膜である。

接合防止膜は、平坦面３ａを平面視したときに平坦面３ａの縁を完全に一巡するように閉じた帯状に設けられることが望ましいが、一部が切れている帯状に設けられていてもよい（図７）。図７の変形例では、平坦面３ａの縁に沿って４か所に接合防止膜が設けられていない箇所２１ａを備えている。平坦面３ａの一部で縁までハンダが接合していたとしても、縁に沿って大部分で帯状の接合防止膜が形成されていれば、図５で説明した効果とほぼ同様の効果が得られる。なお、図７の例では、３種類の接合防止膜２２ｃ、２２ｄ、２２ｅが設けられている。

接合防止膜は、平坦面の縁に接するように設けられることが望ましいが、縁から離間して設けられていてもよい（図８）。図８の例では、平坦面３ａの縁から距離ｄＷを隔てて四辺の夫々に沿って４か所に分かれて接合防止膜２２ｆが設けられている。距離ｄＷは、評価実験やシミュレーションなどにより、側面に生じたクラックに影響を与えない範囲で定められる。なお、図８の変形例では、平坦面３ｂの矩形角部にも接合防止膜が設けられていない。図７で示した第２変形例と同様に、縁の一部には接合防止膜が設けられていない。接合防止膜を備えない範囲の大きさも、評価実験やシミュレーションなどにより、側面に生じたクラックに影響を与えない範囲で定められる。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例の半導体装置２では、一方の平坦面３ａの全面が金属製の電極（コレクタ電極３２）であった。本明細書が開示する技術は、平坦面３ａの全面が電極でない半導体チップを用いた半導体装置に適用することも可能である。また、実施例では、反対側の平坦面３ｂについては説明を割愛した。反対側の平坦面３ｂでも同様に、縁を一巡するように接合防止膜が設けられていることが望ましい。ただし、本明細書が開示する技術は、扁平な半導体チップの少なくとも一方の平坦面に適用されれば、相応の効果が期待できる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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様々に変形、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、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合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し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：半導体装置
３：半導体チップ
３ａ、３ｂ：平坦面
３ｃ：側面
４：第１金属板
５：金属スペーサ
６：第２金属板
７、８、９、１０７：ハンダ
１０：樹脂パッケージ
１２：ゲート端子
１３：金属ワイヤ
２１：酸化防止膜
２２：金属酸化膜（接合防止膜）
２２ａ−２２ｆ：接合防止膜
３１：シリコン基板
３２：コレクタ電極
４０：クラック
１０７：ハンダ

Claims (1)

1. 平坦面に電極が設けられている半導体チップと、
   前記平坦面にハンダを介して接合されている金属板と、
   前記半導体チップと、前記半導体チップと前記金属板との接合部分をモールドしている樹脂パッケージと、
   を備えており、
   前記平坦面の縁に沿って前記ハンダと接合しない接合防止膜が設けられている、半導体装置。