JP2018129485A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 ＡｌＳｉ層のクラックを抑制する技術を提供する。【解決手段】 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ＡｌＳｉ層と、前記ＡｌＳｉ層の表面を覆う第１ニッケル層と、前記第１ニッケル層の表面の一部を覆う絶縁樹脂層と、前記絶縁樹脂層の表面の少なくとも一部を覆い、前記絶縁樹脂層上から前記絶縁樹脂層に覆われていない範囲の前記第１ニッケル層まで伸びている第２ニッケル層、を有する。【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に開示の半導体装置は、半導体基板と、ＡｌＳｉ層と、絶縁樹脂層と、ニッケル層を有している。ＡｌＳｉ層は、半導体基板の表面を覆っている。絶縁樹脂層は、ＡｌＳｉ層の表面の一部を覆っている。ニッケル層は、絶縁樹脂層に覆われていない範囲のＡｌＳｉ層の表面を覆っている。ニッケル層は、はんだ接合用の層である。ニッケル層にはんだが接合されることで、ニッケル層を介してはんだとＡｌＳｉ層が接続される。製造誤差等によってニッケル層と絶縁樹脂層との間に隙間が生じると、その隙間にＡｌＳｉ層が露出し、ＡｌＳｉ層の信頼性が低下する。したがって、ニッケル層と絶縁樹脂層との間に隙間が生じないように、ニッケル層の一部が絶縁樹脂層上に乗り上げている。したがって、絶縁樹脂層の端部が、ニッケル層によって覆われている。
半導体装置の温度が上昇することで、半導体装置を構成する各部材が熱膨張する。特許文献１の半導体装置では、絶縁樹脂層の端部が、絶縁樹脂層とＡｌＳｉ層とニッケル層が互いに接する三重接触部となっている。絶縁樹脂とＡｌＳｉとニッケルの線膨張係数が互いに異なるので、半導体装置の温度上昇時に三重接触部（すなわち、絶縁樹脂層の端部）に応力が集中する。このとき、絶縁樹脂層の端部の周辺のＡｌＳｉ層には、ニッケル層とＡｌＳｉ層が互いに離れる方向に生じる高い引張応力と、半導体基板とＡｌＳｉ層が互いに離れる方向に生じる高い引張応力が集中する。この引張応力が繰り返し加わると、絶縁樹脂層の端部の周辺のＡｌＳｉ層にクラックが生じる場合がある。本明細書では、ＡｌＳｉ層のクラック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、半導体基板と、前記半導体基板の表面を覆うＡｌＳｉ層と、前記ＡｌＳｉ層の表面を覆う第１ニッケル層と、前記第１ニッケル層の表面の一部を覆う絶縁樹脂層と、前記絶縁樹脂層の表面の少なくとも一部を覆い、前記絶縁樹脂層上から前記絶縁樹脂層に覆われていない範囲の前記第１ニッケル層まで伸びている第２ニッケル層を有する。
なお、ＡｌＳｉは、アルミニウム（Ａｌ）とシリコン（Ｓｉ）を含有する合金を意味する。
この半導体装置では、第１ニッケル層の表面に絶縁樹脂層が設けられており、第２ニッケル層が絶縁樹脂層上から絶縁樹脂層に覆われていない範囲の第１ニッケル層まで伸びている。このため、絶縁樹脂層の端部が、第１ニッケル層と第２ニッケル層により囲まれている。したがって、絶縁樹脂層の端部において、第１ニッケル層及び第２ニッケル層を構成するニッケルと、絶縁樹脂層を構成する絶縁樹脂とが互いに接している。すなわち、絶縁樹脂層の端部において、２種類の材料（ニッケルと絶縁樹脂）が接している。絶縁樹脂層の端部が三重接触部になっていないので、絶縁樹脂層の端部に生じる応力が抑制される。このため、絶縁樹脂層の端部の周辺のＡｌＳｉ層に生じる応力が抑制される。また、この半導体装置では、絶縁樹脂層に覆われている範囲と覆われていない範囲の双方で、ＡｌＳｉ層の表面に第１ニッケル層が接している。このため、絶縁樹脂層の端部の周辺のＡｌＳｉ層に引張応力がさらに集中し難い。このため、この半導体装置では、絶縁樹脂層の端部の周辺でＡｌＳｉ層にクラックが生じ難い。
図１に示す実施形態の半導体装置１０は、上部電極板１２、銅ブロック１６、半導体基板２０、下部電極板２４及び樹脂層２６を有している。半導体基板２０は、主にシリコンによって構成されている。図１には示していないが、半導体基板２０の上面には、電極層、絶縁保護膜等が設けられている。また、図１には示していないが、半導体基板２０の下面には、電極層が設けられている。半導体基板２０の下面に設けられた電極層は、はんだ層２２を介して下部電極板２４の上面に接続されている。半導体基板２０の上面に設けられた電極層は、はんだ層１８を介して銅ブロック１６の下面に接続されている。銅ブロック１６の上面は、はんだ層１４を介して上部電極板１２に接続されている。上部電極板１２及び下部電極板２４は、半導体基板２０に通電するための電極板として機能するとともに、半導体基板２０から放熱するための放熱板としても機能する。上部電極板１２、銅ブロック１６、半導体基板２０及び下部電極板２４からなる積層体の側面は、樹脂層２６によって覆われている。
図２は、図１の範囲ＩＩの拡大断面図である。なお、図２においては、左側が半導体基板２０の中心に近い側であり、右側が半導体基板２０の外周端に近い側である。以下では、半導体基板２０の中心に近い側（すなわち、図２の左側）を内周側といい、半導体基板２０の外周端に近い側（すなわち、図２の右側）を外周側という。
半導体基板２０の上面は、ＡｌＳｉ層３０によって覆われている。ＡｌＳｉ層３０は、ＡｌＳｉ（アルミニウムとシリコンを含有する合金）によって構成されている。ＡｌＳｉ層３０は、半導体基板２０と電気的に接続されている。
ＡｌＳｉ層３０の上面は、第１ニッケル層３２によって覆われている。第１ニッケル層３２は、Ｎｉ（ニッケル）により構成されている。
第１ニッケル層３２の上面の外周側の部分は、絶縁樹脂層３６によって覆われている。第１ニッケル層３２の上面の内周側の部分は、絶縁樹脂層３６に覆われていない。第１ニッケル層３２上に、絶縁樹脂層３６の内周側の端部３６ａが存在している。絶縁樹脂層３６は、例えば、絶縁体の樹脂であるポリイミドによって構成されている。
絶縁樹脂層３６の上面には、第２ニッケル層３４が配置されている。第２ニッケル層３４は、Ｎｉにより構成されている。第２ニッケル層３４は、絶縁樹脂層３６の上面の内周側の部分を覆っている。絶縁樹脂層３６の上面の外周側の部分は、第２ニッケル層３４に覆われていない。第２ニッケル層３４は、絶縁樹脂層３６上から絶縁樹脂層３６に覆われていない範囲の第１ニッケル層３２まで伸びている。第２ニッケル層３４は、絶縁樹脂層３６に覆われていない範囲の第１ニッケル層３２に接続されている。第２ニッケル層３４によって、絶縁樹脂層３６の内周側の端部３６ａが覆われている。
第２ニッケル層３４の上面と絶縁樹脂層３６に覆われていない範囲の第１ニッケル層３２の上面に跨る範囲は、はんだ層１８に接合されている。はんだ層１８は、第１ニッケル層３２とＡｌＳｉ層３０を介して半導体基板２０に接続されている。
第２ニッケル層３４に覆われていない範囲の絶縁樹脂層３６の上面（すなわち、絶縁樹脂層３６の上面の外周側の部分）は、樹脂層２６によって覆われている。また、はんだ層１８及び第２ニッケル層３４の側面は、樹脂層２６によって覆われている。
図３は、従来の半導体装置の断面を示している。なお、図３では、実施形態の半導体装置１０の各部に対応する部分に、図２と同じ参照番号が付されている。図３に示す従来の半導体装置は、ＡｌＳｉ層３０の上面の外周側の部分に第１ニッケル層３２を有していない。このため、ＡｌＳｉ層３０の上面の外周側の部分は、絶縁樹脂層３６によって覆われている。したがって、絶縁樹脂層３６の内周側の端部３６ａにおいて、絶縁樹脂層３６、ＡｌＳｉ層３０及び第１ニッケル層３２が互いに接している。
半導体装置の温度は、半導体装置に通電することで上昇する。また、外部の温度上昇によって、半導体装置の温度が上昇する場合もある。以下に、半導体装置の温度上昇時の応力について説明する。まず、図３に示す従来の半導体装置について説明する。図３に示す従来の半導体装置では、絶縁樹脂層３６の端部３６ａにおいて、絶縁樹脂層３６、ＡｌＳｉ層３０及び第１ニッケル層３２が互いに接している。つまり、端部３６ａにおいて、ポリイミド、ＡｌＳｉ及びニッケルの三種類の材料が互いに接している。ポリイミド、ＡｌＳｉ及びニッケルの線膨張係数は互いに異なる。したがって、これらが互いに接している端部３６ａでは、半導体装置の温度が上昇したときに高い熱応力が生じる。このとき、絶縁樹脂層３６の端部３６ａの周辺のＡｌＳｉ層３０には、第１ニッケル層３２とＡｌＳｉ層３０が互いに離れる方向に生じる高い引張応力と、半導体基板２０とＡｌＳｉ層３０が互いに離れる方向に生じる高い引張応力が集中する。端部３６ａにこれらの高い引張応力が繰り返し加わると、端部３６ａの周辺でＡｌＳｉ層３０にクラックが生じる。
これに対し、図２に示す実施形態の半導体装置１０では、絶縁樹脂層３６の端部３６ａが第１ニッケル層３２および第２ニッケル層３４によって囲われており、端部３６ａにＡｌＳｉ層３０が接していない。第１ニッケル層３２と第２ニッケル層３４が共にニッケルによって構成されているので、端部３６ａにおいて、ポリイミドとニッケルの二種類の材料が互いに接している。端部３６ａにおいて接触している材料の数が図３に示す従来の半導体装置よりも少ないので、実施形態の半導体装置１０では、温度上昇時に端部３６ａに生じる応力が小さい。また、実施形態の半導体装置１０では、絶縁樹脂層３６に覆われている範囲と覆われていない範囲の双方で、ＡｌＳｉ層３０の表面に第１ニッケル層３２が接している。このため、第１ニッケル層３２によってＡｌＳｉ層３０に加わる引張応力が分散され、絶縁樹脂層３６の端部３６ａの周辺のＡｌＳｉ層３０に引張応力がさらに集中し難い。したがって、実施形態の半導体装置１０では、端部３６ａの周辺でＡｌＳｉ層３０にクラックが生じ難い。
以上に説明したように、実施形態の半導体装置１０では、絶縁樹脂層３６の端部３６ａの周辺におけるＡｌＳｉ層３０のクラックを抑制することができる。
次に、実施形態の半導体装置１０の製造方法について説明する。まず、図４に示すように、スパッタリングによって、半導体基板２０上にＡｌＳｉ層３０を形成する。次に、図５に示すように、スパッタリングによって、ＡｌＳｉ層３０上に第１ニッケル層３２を形成する。次に、図６に示すように、第１ニッケル層３２の外周側の部分上に、絶縁樹脂層３６を形成する。第１ニッケル層３２の内周側の部分は、絶縁樹脂層３６で覆わずに露出させる。次に、図７に示すように、スパッタリングによって、絶縁樹脂層３６の内周側の部分上から絶縁樹脂層３６に覆われていない範囲の第１ニッケル層３２に跨る範囲に、第２ニッケル層３４を形成する。絶縁樹脂層３６の端部３６ａの内周側では、第１ニッケル層３２と第２ニッケル層３４が一体化する。絶縁樹脂層３６の外周側の部分は、第２ニッケル層３４で覆わずに露出させる。次に、図１に示すように、はんだ層１４、１８、２２を介して上部電極板１２、銅ブロック１６、半導体基板２０及び下部電極板２４を積層し、その積層体をリフロー炉で加熱する。すると、はんだ層１４、１８、２２が一旦溶融し、その後に凝固する。その結果、上部電極板１２、銅ブロック１６、半導体基板２０及び下部電極板２４が互いに接合される。はんだ層１８は、図２に示すように、第２ニッケル層３４と絶縁樹脂層３６に覆われていない範囲の第１ニッケル層３２に接合される。その後、積層体の周囲を樹脂層２６で覆うことで、図１に示す半導体装置１０が完成する。
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、単独であるいは各種の組み合わ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。
１０：半導体装置
１２：上部電極板
１４：はんだ層
１６：銅ブロック
１８：はんだ層
２０：半導体基板
２２：はんだ層
２４：下部電極板
２６：樹脂層
３０：ＡｌＳｉ層
３２：第１ニッケル層
３４：第２ニッケル層
３６：絶縁樹脂層
３６ａ：端部
１２：上部電極板
１４：はんだ層
１６：銅ブロック
１８：はんだ層
２０：半導体基板
２２：はんだ層
２４：下部電極板
２６：樹脂層
３０：ＡｌＳｉ層
３２：第１ニッケル層
３４：第２ニッケル層
３６：絶縁樹脂層
３６ａ：端部
Claims (1)
- 半導体基板と、
前記半導体基板の表面を覆うＡｌＳｉ層と、
前記ＡｌＳｉ層の表面を覆う第１ニッケル層と、
前記第１ニッケル層の表面の一部を覆う絶縁樹脂層と、
前記絶縁樹脂層の表面の少なくとも一部を覆い、前記絶縁樹脂層上から前記絶縁樹脂層に覆われていない範囲の前記第１ニッケル層まで伸びている第２ニッケル層、
を有する半導体装置。
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