JP2019029507A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ワイドバンドギャップ半導体チップのｐｎ接合で発生する光による封止樹脂の劣化を抑制し、長期信頼性を担保できる実装構造を有する半導体装置を提供する。【解決手段】ｐｎ接合１３が内部に形成された半導体チップ１と、半導体チップ１の表面を覆う不透明な封止樹脂３０と、半導体チップ１と封止樹脂３０の間に配置され、ｐｎ接合１３に順方向電流が流れることによって発生する封止樹脂３０を劣化させる特定の波長を有する光が、封止樹脂３０に到達することを抑制する機能領域とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体チップを樹脂によって封止した樹脂封止型実装構造を有する半導体装置に関する。

トランジスタやダイオードとして機能する半導体チップは、表面の汚染や静電気によって特性が影響される。また、半導体チップの表面に配置された電極に接続する細い金属ワイヤは、そのままの露出した状態では振動などに対して弱い。このため、一般的には、例えば特許文献１に記載のように、主に樹脂系の絶縁物によって半導体チップとその周辺を充填して封止する。

特開２０１３−０６２５４０号公報 特開２００９−０９９７８４号公報

田口常正、「白色ＬＥＤによる２１世紀のあかり」、照明学会誌、第８５巻、第７号、平成１３年、ｐ．４９６−５０１ 内山直己、「完全ドライプロセスのレーザダイシング技術」、精密工学会誌、第７６巻、第７号、２０１０年、ｐ．７４７−７５０

こうした半導体チップ内のｐｎ接合に順方向電流が流れると、直接遷移型であれ間接遷移型であれ、原理的にはｐｎ接合を形成する半導体のバンドギャップに相当するエネルギーをもつ光が発生する。シリコン（Ｓｉ）半導体のバンドギャップは１．１２ｅＶ、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）半導体のバンドギャップは１．４３ｅＶであり、これら半導体から発する光の波長は、最短でそれぞれ１１０７ｎｍと８６７ｎｍであり、どちらも赤外光である。したがって、発生した光が封止樹脂に照射されても熱が発生するだけである。

これに対し、昨今、次世代半導体として使われ始めた炭化シリコン（ＳｉＣ）半導体のバンドギャップは、４Ｈ型の場合で３．２６ｅＶであり、窒化ガリウム（ＧａＮ）半導体のバンドギャップは３．３９ｅＶである。これらのワイドバンドギャップ半導体で発生する光の波長は、最短でそれぞれ３８０ｎｍと３６６ｎｍで、これらは可視光の範囲を超えた紫外光である。

これら紫外光には、樹脂の特定の分子結合を断ち切る能力があるため、半導体チップを封止した樹脂の種類によっては、長期的には諸特性が劣化することも想定される。例えば、ワイドバンドギャップ半導体を用いた発光ダイオード（ＬＥＤ）を光源とする発光素子では、蛍光物質によって紫外光を可視光に変換しつつ、変換されなかった紫外光による封止樹脂の劣化を防止する対策が考案されている（例えば、特許文献２参照。）。

一方、ワイドバンドギャップ半導体を用いたパワー半導体デバイスは、こうした紫外光への対応を考慮せずに、従来から樹脂封止によりパッケージングされている。その理由は、ＳｉＣ半導体やＧａＮ半導体にて最初に実用化されようとしているトランジスタはＭＯＳＦＥＴなどユニポーラデバイスなので、通常の動作では内部のｐｎ接合に順方向電流は流れず、紫外光が生じないからである。

しかしながら、これらユニポーラデバイスにあっても、駆動方法によってはデバイスに内在する寄生ｐｎダイオードに順方向電流が流れ、紫外光を発生することが頻繁にあることに本発明者らはいち早く気付いた。すなわち、この点に留意せずに設計された封止樹脂を用いた実装構造は、この紫外光により、半導体チップと封止樹脂との密着性などの特性において、僅かながら予想より早く劣化し得る。また将来の実用化を目指して研究されている、ワイドバンドギャップ半導体によるＩＧＢＴというバイポーラデバイスにおいては、本来の動作時に紫外光が生じるので、同様の課題に直面し得る。そして、ＬＥＤの実装構造とは異なり、パワー半導体の実装構造においては封止樹脂は不透明なので、紫外光は透過することなく、すべて封止樹脂の分子結合に影響する。

上記問題点に鑑み、本発明は、半導体チップのｐｎ接合で発生する光による封止樹脂の劣化を抑制し、長期信頼性を担保できる実装構造を有する半導体装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、ｐｎ接合が内部に形成された半導体チップと、この半導体チップの表面を覆う不透明な封止樹脂と、半導体チップと封止樹脂の間に配置され、前記ｐｎ接合に順方向電流が流れることにより発生する、前記封止樹脂を劣化させる特定の波長を有する光が、封止樹脂に到達することを抑制する機能領域とを備える半導体装置が提供される。

本発明によれば、半導体チップのｐｎ接合で発生する光による封止樹脂の劣化を抑制し、長期信頼性を担保できる実装構造を有する半導体装置を提供できる。

本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の構造を示す模式的な断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の他の構造を示す模式的な断面図である。 本発明の第１の実施形態の第１の変形例に係る半導体装置の構造を示す模式的な断面図である。 本発明の第１の実施形態の第２の変形例に係る半導体装置の構造を示す模式的な断面図である。 本発明の第１の実施形態の第３の変形例に係る半導体装置の構造を示す模式的な断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の構造を示す模式的な断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の構造を示す模式的な断面図である。

次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。なお、図面は模式的なものであり、各寸法や図中の縦横の比率などは現実のものとは異なる。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の模式的な断面図である。図中、１は半導体チップであり、ここでは特にＳｉＣやＧａＮといった、そのバンドギャップに対応する光の波長が紫外光に相当するようなワイドバンドギャップ半導体である。なお、本発明を最も簡便に説明するため、ここでは半導体チップ１をタテ型ｐｎダイオードチップとした。もちろん、ＭＯＳＦＥＴやバイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴといった半導体チップにも本発明は同様の効果がある。半導体チップ１はその基体であるｎ型半導体領域１１の表面にｐ型半導体領域１２をつくりこむことにより、ｐｎ接合１３を形成している。さらに、裏面にはカソードである第１の主電極１０１がある。また、表面にはｐ型半導体領域１２に接続した、アノードである第２の主電極１０２がある。なお、ｎ型半導体領域１１は、実際には大半を占める高濃度領域と、ｐ型半導体領域１２の近傍にのみ、層状に形成された低濃度領域からなるが、ここでは便宜上、区別せずに図示した。

この半導体チップ１は、絶縁性の基板４０の上に形成された、金属製配線の上に実装されている。図中、４１はカソード配線である第１の配線パターンであり、半導体チップ１の第１の主電極１０１は、例えばハンダなどの接合材５０によって第１の配線パターン４１と電気的且つ物理的に接続されている。一方、第２の主電極１０２は、基板４０の上に形成され、第１の配線パターン４１とは分離された第２の配線パターン４２との間を、金属ワイヤ６０によって電気的に接続されている。この金属ワイヤ６０は、例えばアルミニウムを主体とした合金であり、もっぱら超音波ボンディング法によって第２の主電極１０２を構成する金属の表面ならびに第２の配線パターン４２を構成する金属の表面と接合されている。

このように実装された構造体は、外部からの塵埃による半導体チップ１の性能劣化や金属ワイヤ６０の耐振性確保のため、図１のように封止樹脂３０で被覆される。ここで封止樹脂３０は一般的に、黒色に着色され不透明なエポキシ樹脂などである。さらに図１においては半導体チップ１と封止樹脂３０との間に機能絶縁膜２０を備える。これは本明細書の「課題を解決するための手段」にて、「機能領域」と呼んだものの一形態である。すなわち、ワイドバンドギャップ半導体からなる半導体チップ１中のｐｎ接合１３に順方向電流が流れると、それによって封止樹脂３０を構成する有機物の分子結合を断ち切る能力をもつ紫外光が出る（以下において「発生光」という。）。前記の「機能領域」の一種である機能絶縁膜２０は、この分子結合の破壊を抑制する働きをなす。

次に、機能絶縁膜２０の機能について説明する。

例えば、機能絶縁膜２０として蛍光物質を含有する樹脂を用いる。蛍光物質は、波長の短い光を受けると、そのエネルギーの一部を熱に変換し、長波長の光を放つ性質をもつ物質である。そこで、機能絶縁膜２０に含有させる蛍光物質として、半導体チップ１中のｐｎ接合１３で発生した紫外光を、封止樹脂３０にとって無害な光、例えば可視光に変換するようなものを選ぶ。こうした蛍光物質は、紫外ＬＥＤもしくは青色ＬＥＤを使い、赤や緑や黄色を放つＬＥＤを実現したり、複数の蛍光物質を組み合わせて複数の波長の光を出させ、白色ＬＥＤ素子を実現したりするためなどに使用されている材料である。（例えば、非特許文献１参照。）。

なお、機能絶縁膜２０の基体には、発生光に耐性のある有機物であって、且つ、図１に示したように基板４０に搭載された半導体チップ１の全体を被覆するのに適した材料を選択する。例えば、芳香族ポリイミドの中から、スプレー噴霧などにより図１のような均一な膜厚で形成可能であって、ｐｎ接合１３から発する紫外光に感応しにくい材料を選択する。また、紫外光の照射によって重合反応が生じる紫外線硬化樹脂も、重合が完了した後に紫外光を照射され続けた場合の劣化が他の樹脂に比べて軽微なので、機能絶縁膜２０の基体として使用できる。また、一般にケイ素が関係する分子結合の結合エネルギーは炭素系より高いので、耐熱シリコーンなども機能絶縁膜２０の基体に使用できる。

また、機能絶縁膜２０の膜厚は発生光の波長よりも十分に厚く設定する。少なくとも波長の数倍の厚みを持つことが望ましい。

以上に説明したように、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置では、半導体チップ１と封止樹脂３０との間に、封止樹脂３０を劣化させる特定の波長を有する光が封止樹脂３０に到達することを抑制する機能絶縁膜２０が配置されている。このため、図１に示した半導体装置では、例えばワイドバンドギャップ半導体からなる半導体チップ１がその動作によって内部から紫外光を発光したとしても、封止樹脂３０が劣化することが回避されるか或いは劣化が軽減される。このため、多くの特性面で実績があり、コスト的にも使いやすい従来の樹脂を封止樹脂３０として使いながら、ワイドバンドギャップ半導体からなる半導体チップ１を実装した半導体装置の寿命を所望な長さだけ担保できる。

ところで、図１に示した半導体装置では、半導体チップ１の上面及び側面に略均一な厚みに機能絶縁膜２０を形成した例を示したが、機能絶縁膜２０は図１に示した形状に限られない。例えば、図２に示したように、機能絶縁膜２０を基板４０の上面にポッティングしたような液滴形状に配置してもよい（以下の変形例において同様。）。

＜第１の変形例＞
次に、本実施の第１の実施形態の第１の変形例を、図３を使って説明する。この図３においては、機能絶縁膜２０の中に、半導体チップ１を構成する半導体と比べてバンドギャップが同じか若しくは狭い半導体からなる微結晶粒子２１０を多数含む構成としている。

微結晶粒子２１０の内部には結晶欠陥が大量に存在しており、これら結晶欠陥はバンドギャップ中に様々な準位を形成する。その結果、上記の蛍光物質と同様に、発生光が微結晶粒子２１０に入射すると、より波長の長い光が出射される。したがって、機能絶縁膜２０の内部に多数の微結晶粒子２１０を含有させることにより、蛍光物質と同様の働きをなす。

微結晶粒子２１０の構成物質は、半導体チップ１と同じものが使える。あるいは、よりバンドギャップが狭い材料、例えば安価で入手が容易なＳｉの微結晶を使用してもよい。微結晶粒子２１０の粒径は、半導体チップ１から発生する光の波長よりも十分に大きくすることが好ましい。また、発生光が微結晶粒子２１０に当らずに機能絶縁膜２０を通過しないように、機能絶縁膜２０内の微結晶粒子２１０の密度を設計する。望むらくは、図３に示したように、機能絶縁膜２０内に微結晶粒子２１０は数層形成されることが好ましい。

上記のように、微結晶粒子２１０を含有する機能絶縁膜２０によっても、図１にて説明したものと同様の効果を得られる。さらに、図３の構成によれば、蛍光物質が必須ではなく、半導体チップ１と同じ種類の半導体による微結晶粒子もしくは、安価なＳｉなどの微結晶粒子を活用することができる。もちろん、機能絶縁膜２０が図１と同様の蛍光物質を含んでいてもよい。

また、一般的に樹脂は半導体と比べて熱膨張係数が大きい。このため、半導体からなる微結晶粒子２１０を封止樹脂３０に含有させることは、使用時の温度変化により半導体チップ１と機能絶縁膜２０との間に生じる熱応力を緩和させる。したがって、熱応力による破損を抑制するという観点からも、図３に示した構成は好適である。

＜第２の変形例＞
次に、図４にて本実施の第１の実施形態の第２の変形例を説明する。図４は図１と同様の断面図である。図４においては機能絶縁膜２０には、少なくとも表面が半導体チップ１からの紫外光を反射する物質からなる反射粒子２２０を含有させる。ここでも図３と同様に、半導体チップ１から生じた光が反射粒子２２０に当らずに機能絶縁膜２０を通過しないように、機能絶縁膜２０内の反射粒子２２０の密度を、図４に示したように機能絶縁膜２０内に反射粒子２２０は少なくとも数層形成されるように設計する。

反射粒子２２０の構成物質としては、例えば酸化亜鉛や酸化チタンなどが好適に使用される。ただし、これらの物質は導電性を有するため、反射粒子２２０同士の間には必ず絶縁性の機能絶縁膜２０の成分が介在するようにする。

なお、ここでも第１の変形例と同様に、反射粒子２２０の粒径や積層される厚みは、発生光が封止樹脂３０に到達しない範囲で設計する。また、反射粒子２２０の粒径は、発生光の波長よりも大きくすることが好ましい。

上記のように、発生光を反射する反射粒子２２０を含有した機能絶縁膜２０によっても、発生光を封止樹脂３０に到達させない効果が得られる。なお、反射粒子２２０を含有した機能絶縁膜２０においても、更に蛍光物質を含んでいてもよい。

＜第３の変形例＞
次に、図５を用いて本実施の第１の実施形態の第３の変形例を説明する。図５は、半導体チップ１の近傍における機能絶縁膜２０の部分を拡大した断面図である。図５に示した機能絶縁膜２０には、蛍光微粒子２３０が含有されており、蛍光微粒子２３０は略球形の粒状基体２３２と、その表面を被覆する蛍光物層２３１によって構成されている。

粒状基体２３２には、機能絶縁膜２０よりも高い屈折率を有する材料を選択する。これにより、図５に破線の矢印で示したように、蛍光微粒子２３０の表面に浅い角度で発生光Ｌが入射したとき、その発生光Ｌが蛍光物質を含む蛍光物層２３１の内部を何度も界面反射して進む。このため、蛍光微粒子２３０を含有する機能絶縁膜２０では、発生光Ｌの波長の変換が効率的に行われる。

このため、粒状基体２３２の形状は、鋭角な部分を有するよりも略球形である方が好ましい。なお、粒状基体２３２の材料は、発生光Ｌを吸収して著しく劣化しない材料であれば、任意である。なお、粒状基体２３２の材料は微結晶粒子２１０や反射粒子２２０と同じでもよいし、その他の物質でもよい。また、蛍光物層２３１の膜厚は、発生光Ｌの波長よりも厚くすることが好ましい。

さらに、図３の場合と同様の熱膨張係数の観点から、粒状基体２３２の材質は、熱膨張係数の小さな物質、例えばパワー半導体パッケージの封止樹脂の中に混ぜ込まれて使用されてきた低熱膨張石英ガラスなどが好適である。このような構成とすることにより、図３にて説明した微結晶粒子２１０より、さらに安価な材料で機能領域を形成することができる。

（第２の実施形態）
次に、図６を用いて本発明の第２の実施形態を説明する。図６は、図１に類似した半導体装置の断面図である。違いは、半導体チップ１の側面において機能絶縁膜２０との間に接合材５０が延在している点である。

接合材５０にＺｎＡｌ材を使用すると、固体のＺｎＡｌ材が溶融する際に、ＺｎＡｌ材の融点以上でＺｎの蒸気が発生し、半導体チップ１の側面に付着する。これにより、溶融したＺｎＡｌ材が半導体チップ１の側面に這い上がって固まる。その結果、図６に示したように、半導体チップ１の側面に接合材５０に使用されたＺｎＡｌ材からなる金属膜が形成され、これが発生光を反射する機能を有する。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態を、図７を用いて説明する。図７は、図１のうち半導体チップ１の左側面近傍のみを拡大した断面図である。封止樹脂３０などは割愛した。図７中に示した「×」印は、半導体チップ１の側壁に隣接する非活性領域に形成された多結晶領域１５である。ここで「非活性領域」とは、半導体チップ１の動作時に電流経路とならない領域、且つ、半導体チップ１の逆バイアス時に耐圧に影響を及ぼさない領域のことであり、具体的には半導体チップ１の側壁周辺部である。

この多結晶領域１５はレーザーステルスダイシングという技法で使われている集光パルスレーザーを使って形成できる。集光パルスレーザーにより、半導体中の任意の位置に、極局所的に多結晶領域を形成することができる（非特許文献２参照。）。レーザーステルスダイシングの目的は、この技術を使って多量の欠陥領域を帯状に形成し、比較的弱い外力によって半導体チップを切り分けられるようにすることであるが、本実施形態においては、図３において言及した微結晶粒子２１０と同じく、蛍光物質と同様の働きをする結晶欠陥領域を半導体チップ１中に局所的に形成することである。このため、レーザー出力を絞り、さらに局所的にレーザー照射する領域も適当な間隔を空けて数層形成することで、不本意な機械強度劣化を回避しつつ、半導体チップ１の内側から出る紫外光を無害な光に変換する領域を形成する。この多結晶領域１５を半導体チップ１内に形成しておけば、機能絶縁膜２０が不要となるか、あるいはその作用の一部を肩代わりすることができ、より簡便に封止樹脂３０の劣化抑制効果を実現できる。

（その他の実施形態）
上記、個々の図をもって説明した実施形態は、個別に実施されてもよいし、複数の技術を同時に使ってもよい。また、特許請求の範囲に記載された範囲であれば、ここに開示された以外の実施形態も本発明の範疇である。

また、繰り返しになるが、上記では半導体チップ１としてワイドバンドギャップ半導体のダイオードチップを例に説明したが、内部にｐｎ接合を含み、そこに順方向電流が流れ得るならば、例えばＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ、バイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴやサイリスタの実装構造に適用しても、本発明は有効に機能する。

１…半導体チップ
１１…ｎ型半導体領域
１２…ｐ型半導体領域
１３…ｐｎ接合
１４…空乏層
１５…多結晶領域
２０…機能絶縁膜
３０…封止樹脂
４０…基板
４１…第１の配線パターン
４２…第２の配線パターン
５０…接合材
６０…金属ワイヤ
１０１…第１の主電極
１０２…第２の主電極
２１０…微結晶粒子
２２０…反射粒子
２３０…蛍光微粒子
２３１…蛍光物層
２３２…粒状基体

Claims (9)

1. ｐｎ接合が内部に形成された半導体チップと、
   前記半導体チップの表面を覆う不透明な封止樹脂と、
   前記半導体チップと前記封止樹脂の間に配置され、前記ｐｎ接合に順方向電流が流れることによって発生し且つ前記封止樹脂を劣化させる特定の波長を有する光が、前記封止樹脂に到達することを抑制する機能領域と
   を備えることを特徴とする半導体装置。
2. 前記機能領域が、前記半導体チップと前記封止樹脂の間に配置される絶縁性の機能絶縁膜を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記機能絶縁膜が、前記特定の波長を有する光を、長波長の光に変換する蛍光物質を含有することを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記機能絶縁膜が、前記特定の波長を有する光を、長波長の光に変換する蛍光物質によって前記機能絶縁膜よりも屈折率の高い粒状基体の表面を被覆した構成の蛍光微粒子を含有することを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
5. 前記粒状基体の熱膨張係数が前記機能絶縁膜の基体の熱膨張係数よりも小さいことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
6. 前記機能絶縁膜が、前記半導体チップを構成する半導体とバンドギャップが同じか若しくは狭い半導体からなる微結晶粒子を含有することを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
7. 前記機能絶縁膜が、少なくとも表面が前記特定の波長を有する光を反射する物質からなる反射粒子を含有することを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
8. 前記半導体チップを搭載する基板と、
   前記基板の上面に配置された配線パターンと、前記基板の前記上面に対向する前記半導体チップの主面に形成された電極とを電気的に接合する金属からなる接合材と
   を更に備え、
   前記接合材が、前記半導体チップの側面に延在することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
9. 前記機能領域が、前記半導体チップの側面等にあって非活性領域に形成された、複数の局所的結晶欠陥領域を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。

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