JP2020068331A - Semiconductor device - Google Patents

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Abstract

To suppress the formation of voids inside a solder layer that joins a semiconductor device and a conductor member.SOLUTION: A semiconductor device disclosed in the present specification includes a semiconductor substrate and a solder electrode arranged on the semiconductor substrate. The surface of the solder electrode has a first range in which a first metal material is exposed and a second range in which a second metal material is exposed, and the first metal material has higher solder wettability than the second metal material. The ratio of the area of the first range to the area of the second range decreases from the center of the surface toward the outer peripheral edge of the surface.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本明細書が開示する技術は、半導体装置に関する。   The technology disclosed in this specification relates to a semiconductor device.

特許文献1には、半導体装置が開示されている。半導体装置は、半導体基板と、半導体基板上に配置されているはんだ用電極を備える。   Patent Document 1 discloses a semiconductor device. The semiconductor device includes a semiconductor substrate and a solder electrode arranged on the semiconductor substrate.

特開2007−189214号公報JP, 2007-189214, A

上記した半導体装置は、半導体モジュール内に用いられる。その際に、半導体装置のはんだ用電極と、半導体モジュールを構成する他の構成部品(例えば、導体部材等)との間は、はんだ付けによって接合される。このはんだ付けにおいて、はんだの内部にボイドが形成されることが問題となっている。これは、はんだが溶融している間に、はんだ用電極や導体部材からガス(例えば、水素やアルゴン)が発生したり、空気が入り込んだりするためである。特に、半導体装置と導体部材との間に位置するはんだの溶融は、温度が上昇し易いはんだの周縁から中心に向かって進行していく。そのため、はんだによる接合(即ち、金属間化合物の形成)も、はんだ用電極の周縁から中心に向かって進行していくので、はんだ用電極の中心側においてはんだの内部にボイドが生じやすく、はんだの外部に放出され難い。その結果、固化後のはんだの内部において、比較的大きなボイドが形成されることがある。本明細書は、半導体装置と導体部材との間を接合するはんだ層の内部に、ボイドが形成されることを抑制する技術を提供する。   The above semiconductor device is used in a semiconductor module. At that time, the soldering electrodes of the semiconductor device and other constituent parts (for example, a conductor member or the like) constituting the semiconductor module are joined by soldering. In this soldering, formation of voids inside the solder has been a problem. This is because gas (for example, hydrogen or argon) is generated or air is introduced from the solder electrode or the conductor member while the solder is melted. In particular, the melting of the solder located between the semiconductor device and the conductor member proceeds from the peripheral edge of the solder where the temperature easily rises toward the center. Therefore, soldering (that is, formation of an intermetallic compound) also progresses from the peripheral edge of the solder electrode toward the center, so that voids are likely to occur inside the solder on the center side of the solder electrode. Hard to be released to the outside. As a result, relatively large voids may be formed inside the solidified solder. The present specification provides a technique for suppressing the formation of voids inside a solder layer that joins a semiconductor device and a conductor member.

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上に配置されているはんだ用電極とを備える。はんだ用電極の表面は、第1の金属材料が露出する第1範囲と、第2の金属材料が露出する第2範囲とを有し、第1の金属材料は、第2の金属材料よりもはんだ濡れ性が高い。また、第2範囲の面積に対する第1範囲の面積の比率は、当該表面の中心から当該表面の外周縁に向かうにつれて低下する。   A semiconductor device disclosed in the present specification includes a semiconductor substrate and a solder electrode arranged on the semiconductor substrate. The surface of the solder electrode has a first range in which the first metal material is exposed and a second range in which the second metal material is exposed, and the first metal material is more than the second metal material. High solder wettability. The ratio of the area of the first range to the area of the second range decreases from the center of the surface toward the outer peripheral edge of the surface.

上記の半導体装置では、はんだ用電極の表面は、第1の金属材料が露出する第1範囲と、第2の金属材料が露出する第2範囲とを有する。第1の金属材料は、第2の金属材料よりもはんだ濡れ性が高く、第2範囲の面積に対する第1範囲の面積の比率は、はんだ用電極の表面の中心からはんだ用電極の表面の外周縁に向かうにつれて低下する。これにより、はんだ用電極の表面における実質的なはんだ濡れ性は、第1範囲の面積比が大きい中心側において高く、周縁に向かうにつれて低くなる。従って、はんだ用電極と導体部材との間ではんだが溶融したときに、はんだ用電極に対するはんだの濡れ広がりは、中心側において先に進行し、その後に周縁に向けて拡大していく。これにより、溶融したはんだ内にボイドが生成されたとしても、当該ボイドは中心側から周縁へと徐々に移動していき、はんだの外部へ放出され易い。その結果、半導体装置と導体部材との間を接合するはんだ層の内部に、ボイドが形成されることは抑制される。   In the above semiconductor device, the surface of the solder electrode has a first range in which the first metal material is exposed and a second range in which the second metal material is exposed. The first metal material has higher solder wettability than the second metal material, and the ratio of the area of the first range to the area of the second range is from the center of the surface of the solder electrode to the outside of the surface of the solder electrode. It decreases as it goes to the periphery. As a result, the substantial solder wettability on the surface of the solder electrode is high on the center side where the area ratio of the first range is large, and decreases toward the peripheral edge. Therefore, when the solder is melted between the soldering electrode and the conductor member, the wetting and spreading of the solder with respect to the soldering electrode progresses first on the center side and then expands toward the peripheral edge. As a result, even if voids are generated in the molten solder, the voids gradually move from the center side to the peripheral edge and are easily released to the outside of the solder. As a result, formation of voids is suppressed inside the solder layer that joins the semiconductor device and the conductor member.

実施例の半導体モジュール50の内部構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the internal structure of the semiconductor module 50 of an Example. 下面電極10bの表面の構成を示す半導体装置10の下面図。The bottom view of semiconductor device 10 showing the composition of the surface of bottom electrode 10b. 下面電極10bの構成を示す半導体モジュール50の模式図。The schematic diagram of the semiconductor module 50 which shows the structure of the lower surface electrode 10b. 積層体40を加熱して、はんだ36が溶融していく過程を示す。The process of heating the laminated body 40 and melting the solder 36 is shown. 積層体40を加熱して、はんだ36が溶融していく過程を示す。The process of heating the laminated body 40 and melting the solder 36 is shown. 積層体40を加熱して、はんだ36が溶融していく過程を示す。The process of heating the laminated body 40 and melting the solder 36 is shown. 積層体40を除熱して、はんだ36が固化した状態を示す。The state where the stacked body 40 is removed of heat and the solder 36 is solidified is shown. 下面電極10bの表面の構成の変形例を示す半導体装置10の下面図。The bottom view of semiconductor device 10 showing the modification of composition of the surface of bottom electrode 10b.

図面を参照して、実施例の半導体装置10とそれが採用された半導体モジュール50について説明をする。半導体モジュール50は、例えば、電気自動車、ハイブリッド車、又は燃料電池車等に搭載される電子制御回路に搭載されている。図1に示すように、半導体モジュール50は、半導体装置10、導体スペーサ22、上側放熱板24、下側放熱板26及び封止体28を備える。半導体装置10、導体スペーサ22、上側放熱板24及び下側放熱板26は、封止体28によって一体に封止されている。封止体28は、例えばエポキシ樹脂といった熱硬化性の樹脂材料を用いて構成されている。また、半導体モジュール50は、封止体28の内部から外部に向かって延びる複数の外部接続端子(図示省略)を備える。半導体装置10は、封止体28の内部において、複数の外部接続端子に電気的に接続されている。   A semiconductor device 10 of an embodiment and a semiconductor module 50 using the same will be described with reference to the drawings. The semiconductor module 50 is mounted in an electronic control circuit mounted in, for example, an electric vehicle, a hybrid vehicle, a fuel cell vehicle, or the like. As shown in FIG. 1, the semiconductor module 50 includes a semiconductor device 10, a conductor spacer 22, an upper heat dissipation plate 24, a lower heat dissipation plate 26, and a sealing body 28. The semiconductor device 10, the conductor spacer 22, the upper heat dissipation plate 24, and the lower heat dissipation plate 26 are integrally sealed by a sealing body 28. The sealing body 28 is made of, for example, a thermosetting resin material such as an epoxy resin. The semiconductor module 50 also includes a plurality of external connection terminals (not shown) extending from the inside of the sealing body 28 to the outside. The semiconductor device 10 is electrically connected to a plurality of external connection terminals inside the sealing body 28.

半導体装置10は、半導体基板12と上面電極10aと下面電極10bとを備える。上面電極10aは、半導体基板12の上面に位置しており、下面電極10bは半導体基板12の下面に位置する。半導体基板12は、例えばシリコン(Si)、炭化ケイ素(SiC)、又は窒化ガリウム(GaN)といった各種の半導体材料を用いて構成されることができる。上面電極10a及び下面電極10bを構成する材料には、例えば、ニッケル(Ni)系又は他の金属等を採用することができる。ここでいうニッケル系金属は、純ニッケル又はニッケルを主成分とした合金を示す。なお、下面電極10bについては、その特徴的な構造を後段において説明する。半導体装置10は、パワー半導体装置であり、例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)である。但し、半導体装置10は、IGBTに限定されずMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)又はダイオード等といった他のパワー半導体装置が採用されていてもよい。また、半導体装置10は、単体のパワー半導体装置による構成に限定されず、例えばIGBTとダイオードとを内蔵するRC−IGBT(Reverse Conducting IGBT)といった異種のパワー半導体装置を組み合わせて構成されていてもよい。   The semiconductor device 10 includes a semiconductor substrate 12, an upper surface electrode 10a, and a lower surface electrode 10b. The upper surface electrode 10 a is located on the upper surface of the semiconductor substrate 12, and the lower surface electrode 10 b is located on the lower surface of the semiconductor substrate 12. The semiconductor substrate 12 can be configured using various semiconductor materials such as silicon (Si), silicon carbide (SiC), or gallium nitride (GaN). As a material forming the upper surface electrode 10a and the lower surface electrode 10b, for example, nickel (Ni) -based material or another metal can be adopted. The nickel-based metal here indicates pure nickel or an alloy containing nickel as a main component. The characteristic structure of the lower surface electrode 10b will be described later. The semiconductor device 10 is a power semiconductor device and is, for example, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). However, the semiconductor device 10 is not limited to the IGBT, and another power semiconductor device such as a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) or a diode may be adopted. Further, the semiconductor device 10 is not limited to the configuration of a single power semiconductor device, and may be configured by combining different types of power semiconductor devices such as an RC-IGBT (Reverse Conducting IGBT) including an IGBT and a diode therein. .

導体スペーサ22は、半導体装置10の上側に位置している。導体スペーサ22は、概して板形状又はブロック形状を有する導体部材であり、例えば銅(Cu)又は他の金属等で構成されている。導体スペーサ22は、上面と、上面の反対側に位置する下面を有している。導体スペーサ22の上面は、後述する上側放熱板24の下面にはんだ層32を介して接合されている。導体スペーサ22の下面は、半導体装置10の上面電極10aにはんだ層34を介して接合されている。即ち、導体スペーサ22は、半導体装置10と電気的及び熱的に接続されている。   The conductor spacer 22 is located above the semiconductor device 10. The conductor spacer 22 is a conductor member having a generally plate shape or a block shape, and is made of, for example, copper (Cu) or another metal. The conductor spacer 22 has an upper surface and a lower surface opposite to the upper surface. The upper surface of the conductor spacer 22 is joined to the lower surface of an upper heat dissipation plate 24 described later via a solder layer 32. The lower surface of the conductor spacer 22 is bonded to the upper surface electrode 10 a of the semiconductor device 10 via the solder layer 34. That is, the conductor spacer 22 is electrically and thermally connected to the semiconductor device 10.

上側放熱板24は、導体スペーサ22の上側に位置している。上側放熱板24は、板形状又は直方体形状を有する導体部材であり、例えば銅又は他の金属で構成されている。上側放熱板24は、上面と、上面の反対側に位置する下面とを有する。上側放熱板24の下面は、導体スペーサ22の上面にはんだ層32を介して接合されている。即ち、上側放熱板24は、導体スペーサ22を介して半導体装置10と電気的及び熱的に接続されている。上側放熱板24の上面は、封止体28の上面において外部に露出されている。   The upper heat dissipation plate 24 is located above the conductor spacer 22. The upper heat dissipation plate 24 is a conductor member having a plate shape or a rectangular parallelepiped shape, and is made of, for example, copper or another metal. The upper heat dissipation plate 24 has an upper surface and a lower surface opposite to the upper surface. The lower surface of the upper heat dissipation plate 24 is joined to the upper surface of the conductor spacer 22 via the solder layer 32. That is, the upper heat dissipation plate 24 is electrically and thermally connected to the semiconductor device 10 via the conductor spacer 22. The upper surface of the upper heat dissipation plate 24 is exposed to the outside on the upper surface of the sealing body 28.

下側放熱板26は、半導体装置10の下側に位置している。下側放熱板26は、板形状又は直方体形状を有する導体部材であり、例えば銅又は他の金属で構成されている。下側放熱板26は、上面と、上面の反対側に位置する下面とを有する。一例ではあるが、下側放熱板26の上面は、ニッケル系金属層38を有している。下側放熱板26の上面は、半導体装置10の下面電極10bにはんだ層36を介して接合されている。即ち、下側放熱板26は、半導体装置10と電気的及び熱的に接続されている。下側放熱板26の下面は、封止体28の下面において外部に露出されている。従って、上側放熱板24及び下側放熱板26は、半導体装置10で生じる熱を外部へ放出する放熱板としても機能する。   The lower heat dissipation plate 26 is located below the semiconductor device 10. The lower heat dissipation plate 26 is a conductor member having a plate shape or a rectangular parallelepiped shape, and is made of, for example, copper or another metal. The lower heat dissipation plate 26 has an upper surface and a lower surface opposite to the upper surface. As an example, the upper surface of the lower heat dissipation plate 26 has a nickel-based metal layer 38. The upper surface of the lower heat dissipation plate 26 is bonded to the lower surface electrode 10b of the semiconductor device 10 via the solder layer 36. That is, the lower heat dissipation plate 26 is electrically and thermally connected to the semiconductor device 10. The lower surface of the lower heat dissipation plate 26 is exposed to the outside on the lower surface of the sealing body 28. Therefore, the upper heat dissipation plate 24 and the lower heat dissipation plate 26 also function as heat dissipation plates that radiate the heat generated in the semiconductor device 10 to the outside.

図2、図3を参照して、下面電極10bの構造について説明する。下面電極10bは、第1金属層20、第2金属層18、第3金属層16及び第4金属層14を有する。これらの金属層14、16、18、20は、半導体基板12上に、第4金属層14、第3金属層16、第2金属層18、第1金属層20の順で積層されている。第1金属層20は、例えば金(Au)といった、はんだ濡れ性の高い金属を用いて構成されている。第2金属層18は、例えばニッケルといった、はんだとの接合性に優れた金属を用いて構成されている。   The structure of the lower surface electrode 10b will be described with reference to FIGS. The lower surface electrode 10b includes a first metal layer 20, a second metal layer 18, a third metal layer 16 and a fourth metal layer 14. These metal layers 14, 16, 18, 20 are laminated on the semiconductor substrate 12 in the order of the fourth metal layer 14, the third metal layer 16, the second metal layer 18, and the first metal layer 20. The first metal layer 20 is made of a metal having a high solder wettability, such as gold (Au). The second metal layer 18 is made of, for example, nickel, which is a metal having excellent bondability with solder.

第3金属層16は、例えば、チタン(Ti)又はその他の金属を用いて構成されている。第4金属層14は、例えば、アルミニウム(Al)系又はその他の金属材料を用いて構成されている。ここでいうアルミニウム系金属とは、純アルミニウム又はアルミニウムを主成分とした合金(例えばアルミニウム−シリコン(Al−Si)系合金)のことを示す。一例ではあるが、第1金属層20、第2金属層18、第3金属層16及び第4金属層14の厚み寸法は、それぞれ約0.05μm、約1μm、約0.2μm及び約0.8μm程度であってもよい。   The third metal layer 16 is made of, for example, titanium (Ti) or another metal. The fourth metal layer 14 is made of, for example, an aluminum (Al) -based or other metal material. The aluminum-based metal here refers to pure aluminum or an alloy containing aluminum as a main component (for example, an aluminum-silicon (Al-Si) -based alloy). As an example, the thickness dimensions of the first metal layer 20, the second metal layer 18, the third metal layer 16 and the fourth metal layer 14 are about 0.05 μm, about 1 μm, about 0.2 μm and about 0. It may be about 8 μm.

第1金属層20は、第2金属層18の全面ではなく、第2金属層18の一部を覆っている。これにより、下面電極10bの表面は、第1金属層20が露出する第1範囲R1と、第2金属層18が露出する第2範囲R2とを有する。前述したように、第1金属層20は、はんだ濡れ性に優れた金属材料で構成されており、第2金属層18よりもはんだ濡れ性が高い。ここでいうはんだ濡れ性は、はんだに対する親和性を示す。例えば、はんだ濡れ性が高いと、はんだに対する親和性が高く、はんだが接触する表面(この場合、下面電極10bの表面)に対して濡れ広がりやすい。   The first metal layer 20 covers not the entire surface of the second metal layer 18 but a part of the second metal layer 18. As a result, the surface of the lower surface electrode 10b has a first range R1 in which the first metal layer 20 is exposed and a second range R2 in which the second metal layer 18 is exposed. As described above, the first metal layer 20 is made of a metal material having excellent solder wettability and has a higher solder wettability than the second metal layer 18. The solder wettability as used herein refers to the affinity for solder. For example, when the solder wettability is high, the affinity for the solder is high, and the solder is likely to wet and spread on the surface in contact with the solder (in this case, the surface of the lower surface electrode 10b).

図2に示すように、第1金属層20は、第2金属層18上で放射状にパターニングされている。即ち、第1範囲R1は、下面電極10bの表面の中心を基点とし、周縁に向けて放射状に延びている。第2金属層18が露出する第2範囲R2は、下面電極10bの表面のうち、第1範囲R1を除く他の範囲である。これにより、下面電極10bの表面では、第2範囲R2の面積に対する第1範囲R1の面積の比率が、当該表面の中心から外周縁に向かうにつれて低下する。   As shown in FIG. 2, the first metal layer 20 is radially patterned on the second metal layer 18. That is, the first range R1 extends radially toward the peripheral edge with the center of the surface of the lower surface electrode 10b as a base point. The second range R2 where the second metal layer 18 is exposed is a range other than the first range R1 on the surface of the lower surface electrode 10b. Thereby, on the surface of the lower surface electrode 10b, the ratio of the area of the first range R1 to the area of the second range R2 decreases from the center of the surface toward the outer peripheral edge.

このような構成によると、下面電極10bの表面における実質的なはんだ濡れ性は、第1範囲R1の面積比が大きい中心側において高く、周縁に向かうにつれて低くなる。従って、下面電極10bと下側放熱板26との間ではんだが溶融したときに、下面電極10bに対するはんだの濡れ広がりは、中心側において先に進行し、その後に周縁に向けて拡大していく。これにより、溶融したはんだ内にボイドが生成されたとしても、中心側から周縁へと進行するはんだの濡れ広がりに伴って、当該ボイドは中心側から周縁へと徐々に移動していき、はんだの外部へ放出され易い。その結果、半導体装置10と下側放熱板26との間を接合するはんだ層36の内部に、ボイドが形成されることは抑制される。   With such a configuration, the substantial solder wettability on the surface of the lower surface electrode 10b is high on the center side where the area ratio of the first range R1 is large, and becomes lower toward the peripheral edge. Therefore, when the solder is melted between the lower surface electrode 10b and the lower heat dissipation plate 26, the wetting and spreading of the solder with respect to the lower surface electrode 10b proceeds first on the center side and then expands toward the peripheral edge. . As a result, even if voids are generated in the molten solder, the voids gradually move from the center side to the peripheral edge as the solder spreads and spreads from the center side to the peripheral edge. Easily released to the outside. As a result, formation of voids is suppressed inside the solder layer 36 that joins the semiconductor device 10 and the lower heat dissipation plate 26.

ここで、下面電極10bは、本明細書が開示する技術における「はんだ用電極」の一例である。また、第1金属層20を構成する材料及び第2金属層18を構成する材料は、本明細書が開示する技術における「第1の金属材料」及び「第2の金属材料」の一例である。上述した具体的な構成は、一例であって、様々に変更可能である。例えば、第1金属層20は、金に限定されず、他の金属材料を用いて構成されていてもよい。第2金属層18は、ニッケルに限定されず、ニッケル系又はその他の金属材料によって構成されていてもよい。第1金属層20及び第2金属層18を構成する金属材料の組み合わせは、金及びニッケルに限られず、第1金属層20を構成する金属材料が、第2金属層18を構成する金属材料よりも、はんだ濡れ性が高ければよい。一例ではあるが、第1金属層20及び第2金属層18を構成する金属材料の組み合わせが、それぞれ銀(Ag)及び銅といった金属材料の組み合わせであってもよい。   Here, the lower surface electrode 10b is an example of the "solder electrode" in the technique disclosed in this specification. The material forming the first metal layer 20 and the material forming the second metal layer 18 are examples of the “first metal material” and the “second metal material” in the technology disclosed in this specification. . The specific configuration described above is an example, and can be variously modified. For example, the first metal layer 20 is not limited to gold, and may be made of another metal material. The second metal layer 18 is not limited to nickel and may be made of a nickel-based or other metal material. The combination of the metal materials that form the first metal layer 20 and the second metal layer 18 is not limited to gold and nickel, and the metal material that forms the first metal layer 20 is better than the metal material that forms the second metal layer 18. However, it is sufficient if the solder wettability is high. As an example, the combination of metal materials forming the first metal layer 20 and the second metal layer 18 may be a combination of metal materials such as silver (Ag) and copper, respectively.

図3−図7を参照して、半導体モジュール50の製造方法について説明する。ここでは特に、半導体装置10と下側放熱板26との間のはんだ付けについて説明する。他の構成要素を形成する工程については、公知である各種の手法を適宜用いて形成することができ、ここでは説明を省略する。   A method of manufacturing the semiconductor module 50 will be described with reference to FIGS. Here, in particular, soldering between the semiconductor device 10 and the lower heat dissipation plate 26 will be described. Regarding the step of forming the other constituent elements, various known methods can be appropriately used, and description thereof will be omitted here.

先ず、図3に示すように、半導体装置10と下側放熱板26とを用意し、それらの間にはんだ36を配置した積層体40を形成する。半導体装置10と下側放熱板26との間に配置するはんだ36には、例えばシート形状のはんだ材を採用することができる。ここで、はんだ36は、前述したはんだ層36を構成するため、同じ符号を付して説明する。   First, as shown in FIG. 3, the semiconductor device 10 and the lower heat dissipation plate 26 are prepared, and the stacked body 40 in which the solder 36 is arranged is formed between them. As the solder 36 arranged between the semiconductor device 10 and the lower heat dissipation plate 26, for example, a sheet-shaped solder material can be adopted. Here, since the solder 36 constitutes the above-mentioned solder layer 36, the same reference numerals are given and described.

次いで、図4−図7に示すように、半導体装置10と下側放熱板26との間をはんだ付けするリフロー工程を実施する。この工程では、積層体40を例えばリフロー炉内に配置し、積層体40を加熱してはんだ36を溶融させ、その後に積層体40から除熱してはんだ36を固化させる。このとき、溶融したはんだ36と接触する下面電極10b及び下側放熱板26の界面に金属間化合物Kが形成されることにより、半導体装置10と下側放熱板26は接合される。このリフロー工程では、例えばリフロー炉内を減圧することによって、積層体40を減圧下において加熱してもよい。   Next, as shown in FIGS. 4 to 7, a reflow process of soldering between the semiconductor device 10 and the lower heat dissipation plate 26 is performed. In this step, the stacked body 40 is placed in, for example, a reflow furnace, the stacked body 40 is heated to melt the solder 36, and then the stacked body 40 is deheated to solidify the solder 36. At this time, the intermetallic compound K is formed at the interface between the lower surface electrode 10b and the lower heat dissipation plate 26 that are in contact with the molten solder 36, so that the semiconductor device 10 and the lower heat dissipation plate 26 are joined. In this reflow step, the laminated body 40 may be heated under reduced pressure, for example, by reducing the pressure inside the reflow furnace.

積層体40を加熱してはんだ36を溶融させると、下面電極10bに対するはんだ36の濡れ広がりは、第1範囲R1が比較的に多く露出する中心側において先に進行し、その後に周縁に向けて拡大していく。従って、はんだ36が溶融するときに生じるボイドXも、下面電極10bの中心側から周縁へと徐々に移動していき、はんだ36の外部へ放出されやすい。これにより、半導体装置10と下側放熱板26との間を接合するはんだ層36の内部にボイドXが形成されることが抑制される。   When the stacked body 40 is heated to melt the solder 36, the wetting and spreading of the solder 36 with respect to the lower surface electrode 10b proceeds first on the center side where the first range R1 is relatively exposed, and then toward the peripheral edge. To expand. Therefore, the void X generated when the solder 36 melts gradually moves from the center side of the lower surface electrode 10b to the peripheral edge and is easily released to the outside of the solder 36. This suppresses the formation of the void X inside the solder layer 36 joining the semiconductor device 10 and the lower heat dissipation plate 26.

図8を参照して、半導体装置10の変形例について説明する。この変形例では、下面電極110bの構成が変更されており、特に、第1金属層120のパターニング形状が変更されている。図8に示すように、下面電極110bの表面は、第1金属層120が設けられた第1範囲R1と、第2金属層118が露出する第2範囲R2を有する。第1範囲R1(即ち、第1金属層120)は、下面電極110bの表面の中心に位置する円状部分C1と、円状部分C1を囲むように配置された多重の環状部分C2、C3、C4、C5を有する。これらの円状部分C1及び環状部分C2−C5は、下面電極110bの表面の中心に対して、同心状に配置されている。そして、第2範囲R2(即ち、第2金属層118)は、円状部分C1及び環状部分C2−C5の間に位置する範囲(即ち、第1範囲R1を除く他の範囲)であり、第1範囲R1と第2範囲R2は交互に配置されている。   A modification of the semiconductor device 10 will be described with reference to FIG. In this modification, the configuration of the lower surface electrode 110b is changed, and in particular, the patterning shape of the first metal layer 120 is changed. As shown in FIG. 8, the surface of the lower surface electrode 110b has a first range R1 in which the first metal layer 120 is provided and a second range R2 in which the second metal layer 118 is exposed. The first range R1 (that is, the first metal layer 120) includes a circular portion C1 located at the center of the surface of the lower electrode 110b, and multiple annular portions C2 and C3 arranged so as to surround the circular portion C1. It has C4 and C5. These circular portion C1 and annular portions C2-C5 are arranged concentrically with respect to the center of the surface of the lower surface electrode 110b. The second range R2 (that is, the second metal layer 118) is a range (that is, the range other than the first range R1) located between the circular portion C1 and the annular portion C2-C5, and The first range R1 and the second range R2 are arranged alternately.

第1範囲R1を構成する複数の環状部分C2−C5は、下面電極110bの中心側に位置するものほどその幅が広く、周縁側に位置するものほどその幅が狭い。一方、それらの間に位置する第2範囲R2の幅は、下面電極110bの中心側に位置するものほど狭く、周縁側に位置するものほど広くなる。これにより、第2範囲R2の面積に対する第1範囲R1の面積の比率は、下面電極110bの表面の中心から下面電極110bの表面の外周縁に向かうにつれて低下する。   The plurality of annular portions C2 to C5 forming the first range R1 have a wider width as they are located closer to the center of the lower surface electrode 110b, and have a smaller width as they are located closer to the peripheral edge. On the other hand, the width of the second range R2 located between them is narrower as it is located closer to the center of the lower surface electrode 110b and wider as it is located closer to the peripheral edge. As a result, the ratio of the area of the first range R1 to the area of the second range R2 decreases from the center of the surface of the lower surface electrode 110b toward the outer peripheral edge of the surface of the lower surface electrode 110b.

また、半導体装置10の下面電極10bにおける第1金属層20及び第2金属層18の積層形態は、特に限定されない。下面電極10bの表面において、第1金属層20及び第2金属層18が露出していればよい。図3に例示するように、第2金属層18に第1金属層20が部分的に埋め込まれていてもよいし、第2金属層18から、第1金属層20が部分的に突出していてもよい。   The stacking form of the first metal layer 20 and the second metal layer 18 on the lower surface electrode 10b of the semiconductor device 10 is not particularly limited. It is sufficient that the first metal layer 20 and the second metal layer 18 are exposed on the surface of the lower surface electrode 10b. As illustrated in FIG. 3, the first metal layer 20 may be partially embedded in the second metal layer 18, or the first metal layer 20 may partially protrude from the second metal layer 18. Good.

以上、いくつか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。本明細書又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る。   Although some specific examples have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. The technical elements described in the present specification or the drawings exert technical utility alone or in various combinations.

10:半導体装置
10a:上面電極
10b、110b:下面電極
12:半導体基板
14:第4金属層
16:第3金属層
18、118:第2金属層
20、120:第1金属層
22:導体スペーサ
24:上側放熱板
26:下側放熱板
28:封止体
32、34、36:はんだ層
38:ニッケル系金属層
40:積層体
50:半導体モジュール
K:金属間化合物
R1:第1範囲
R2:第2範囲
X:ボイド
10: semiconductor device 10a: upper surface electrode 10b, 110b: lower surface electrode 12: semiconductor substrate 14: fourth metal layer 16: third metal layer 18, 118: second metal layer 20, 120: first metal layer 22: conductor spacer 24: Upper heat dissipation plate 26: Lower heat dissipation plate 28: Sealing bodies 32, 34, 36: Solder layer 38: Nickel-based metal layer 40: Laminated body 50: Semiconductor module K: Intermetallic compound R1: First range R2: Second range X: void

Claims (1)

半導体基板と
前記半導体基板上に配置されているはんだ用電極と、を備え、
前記はんだ用電極の表面は、第1の金属材料が露出する第1範囲と、第2の金属材料が露出する第2範囲とを有し、
前記第1の金属材料は、前記第2の金属材料よりもはんだ濡れ性が高く、
前記第2範囲の面積に対する前記第1範囲の面積の比率は、前記表面の中心から前記表面の外周縁に向かうにつれて低下する、
半導体装置。
A semiconductor substrate and a solder electrode disposed on the semiconductor substrate,
The surface of the solder electrode has a first range in which the first metal material is exposed and a second range in which the second metal material is exposed,
The first metal material has higher solder wettability than the second metal material,
The ratio of the area of the first range to the area of the second range decreases from the center of the surface toward the outer peripheral edge of the surface,
Semiconductor device.
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