JP2021009955A - Semiconductor device - Google Patents

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Abstract

To effectively alleviate concentration of stress generated at a triple point in a semiconductor device.SOLUTION: A semiconductor device disclosed in the present specification comprises: a semiconductor substrate; a first electrode film; a second electrode film; and a protective film. The first electrode film is provided on the semiconductor substrate, and the second electrode film is provided on the first electrode film. The protective film is provided next to the second electrode film, on the first electrode film, and brought into contact with a side surface of the second electrode film. The side surface of the second electrode film has an at least partially uneven shape.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本明細書が開示する技術は、半導体装置に関する。 The techniques disclosed herein relate to semiconductor devices.

特許文献1に、半導体素子が開示されている。半導体装置は、半導体基板と、半導体基板上に設けられた第1電極膜と、第1電極膜上に設けられた第2電極膜と、第1電極膜上において、第2電極膜に隣接して設けられており、第2電極膜の側面に接触する保護膜とを備える。この半導体装置は、例えば半導体モジュールに採用され、第2電極膜には、半導体モジュールを構成する導体部材がはんだ層を介して接合される。 Patent Document 1 discloses a semiconductor device. The semiconductor device is adjacent to the semiconductor substrate, the first electrode film provided on the semiconductor substrate, the second electrode film provided on the first electrode film, and the second electrode film on the first electrode film. It is provided with a protective film that comes into contact with the side surface of the second electrode film. This semiconductor device is used, for example, in a semiconductor module, and a conductor member constituting the semiconductor module is bonded to the second electrode film via a solder layer.

特開2015−233035号公報JP-A-2015-23305

半導体モジュールでは、半導体モジュールに断続的に通電されることによって、半導体装置を含む構成部品の温度が繰り返し変動する。この温度変動が繰り返されたときに、半導体装置の内部で大きな応力が生じると、半導体装置がダメージを受けるおそれがある。この点に関して、上記した半導体装置では、第1電極膜上に第2電極膜と保護膜とが隣接して設けられており、それらを構成する三種の異種材料が互いに集まる三重点が存在する。このような三重点では、特に応力が集中しやすい。従って、本明細書では、三重点に生じる応力の集中を緩和し得る技術を提供する。 In a semiconductor module, the temperature of a component including a semiconductor device fluctuates repeatedly by intermittently energizing the semiconductor module. If a large stress is generated inside the semiconductor device when this temperature fluctuation is repeated, the semiconductor device may be damaged. In this regard, in the above-mentioned semiconductor device, the second electrode film and the protective film are provided adjacent to each other on the first electrode film, and there is a triple point where three kinds of different materials constituting them gather together. At such triple points, stress is particularly likely to concentrate. Therefore, the present specification provides a technique capable of relaxing the concentration of stress generated at the triple point.

本明細書が開示する半導体装置は、半導体基板と、第1電極膜と、第2電極膜と、保護膜とを備える。第1電極膜は、半導体基板上に設けられており、第2電極膜は、第1電極膜上に設けられている。保護膜は、第1電極膜上において、第2電極膜に隣接して設けられており、第2電極膜の側面に接触する。第2電極膜の側面は、少なくとも部分的に凹凸形状を有している。 The semiconductor device disclosed in the present specification includes a semiconductor substrate, a first electrode film, a second electrode film, and a protective film. The first electrode film is provided on the semiconductor substrate, and the second electrode film is provided on the first electrode film. The protective film is provided on the first electrode film adjacent to the second electrode film, and comes into contact with the side surface of the second electrode film. The side surface of the second electrode film has an uneven shape at least partially.

上記した半導体装置では、保護膜と接する第2電極膜の側面が、少なくとも部分的に凹凸形状を有している。従って、保護膜と第2電極膜との間はアンカー効果によって互いに強固に密着する。これにより、保護膜と第2電極膜の間において、半導体装置の温度変動による相対変位が抑制される。特に、凹凸形状は、第2電極膜の側面に設けられており、三重点に近接している。これにより、三重点における応力の集中を効果的に緩和することができる。 In the above-mentioned semiconductor device, the side surface of the second electrode film in contact with the protective film has an uneven shape at least partially. Therefore, the protective film and the second electrode film are firmly adhered to each other by the anchor effect. As a result, the relative displacement of the semiconductor device due to temperature fluctuation is suppressed between the protective film and the second electrode film. In particular, the uneven shape is provided on the side surface of the second electrode film and is close to the triple point. As a result, the stress concentration at the triple point can be effectively relaxed.

実施例1の半導体素子12が内蔵された半導体モジュール10の外観を示す平面図。FIG. 5 is a plan view showing the appearance of the semiconductor module 10 in which the semiconductor element 12 of the first embodiment is incorporated. 図1のII−II線における断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II of FIG. 図2のIII部における拡大図。Enlarged view in Part III of FIG. 第2電極膜40の凹凸形状40dのいくつかの変形例を示す断面図。FIG. 5 is a cross-sectional view showing some modifications of the concave-convex shape 40d of the second electrode film 40. 半導体基板12a上に第1電極膜38及び第2電極膜40を形成する工程を模式的に示す断面図。FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a step of forming a first electrode film 38 and a second electrode film 40 on a semiconductor substrate 12a. 露出している第1電極膜38及び第2電極膜40上にそれぞれレジスト膜44を形成する工程を模式的に示す図。The figure which shows typically the process of forming the resist film 44 on the exposed first electrode film 38 and the second electrode film 40, respectively. 第2電極膜40の側面40cに凹凸形状40dを形成する工程を模式的に示す図。The figure which shows typically the process of forming the concave-convex shape 40d on the side surface 40c of the 2nd electrode film 40. レジスト膜44を除去する工程を模式的に示す図。The figure which shows typically the process of removing a resist film 44. 半導体基板12a(第1電極膜38及び第2電極膜40)上に樹脂溶液43sを塗布する工程を模式的に示す図。The figure which shows typically the process of applying the resin solution 43s on the semiconductor substrate 12a (the first electrode film 38 and the second electrode film 40). 樹脂膜43が形成された半導体基板12aをプリベークする工程を模式的に示す図。The figure which shows typically the process of prebaking the semiconductor substrate 12a on which the resin film 43 was formed. プリベークされた半導体基板12aを露光処理する工程を模式的に示す図。The figure which shows typically the process of the exposure processing of the prebaked semiconductor substrate 12a. 露光処理された半導体基板12aを現像処理する工程を模式的に示す図。The figure which shows typically the process of developing a semiconductor substrate 12a which has been exposed. 現像処理された半導体基板12aをポストベークする工程を模式的に示す図。The figure which shows typically the process of post-baking the developed semiconductor substrate 12a. 実施例2の半導体素子112の内部構造を示す断面図。FIG. 5 is a cross-sectional view showing the internal structure of the semiconductor element 112 of the second embodiment.

(実施例1)図面を参照して、実施例1の半導体素子12を内蔵する半導体モジュール10及び半導体素子12の製造方法について説明する。ここで、半導体素子12は、本明細書が開示する技術における半導体装置の一例である。本実施例の半導体モジュール10は、例えば電気自動車の電力制御装置に採用され、コンバータやインバータといった電力変換回路の一部を構成することができる。なお、本明細書における電気自動車は、車輪を駆動するモータを有する自動車を広く意味し、例えば、外部の電力によって充電される電気自動車、モータに加えてエンジンを有するハイブリッド車、及び燃料電池を電源とする燃料電池車等を含む。 (Example 1) With reference to the drawings, a method of manufacturing the semiconductor module 10 and the semiconductor element 12 incorporating the semiconductor element 12 of the first embodiment will be described. Here, the semiconductor element 12 is an example of a semiconductor device in the technology disclosed in the present specification. The semiconductor module 10 of this embodiment is adopted in, for example, a power control device for an electric vehicle, and can form a part of a power conversion circuit such as a converter or an inverter. The electric vehicle in the present specification broadly means an electric vehicle having a motor for driving wheels, and for example, an electric vehicle charged by an external electric power, a hybrid vehicle having an engine in addition to the motor, and a fuel cell as a power source. Includes fuel cell vehicles, etc.

図1に示すように、半導体モジュール10は、複数の半導体素子12、封止体20、複数の電力端子22、24、26、及び複数の信号端子28、30を備える。複数の半導体素子12は、封止体20の内部に封止されている。封止体20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。封止体20は、第1主表面20aと、第1主表面20aの反対側に位置する第2主表面20bと、第1主表面20aと第2主表面20bとの間に延びる側面20cを有する。複数の電力端子22、24、26及び複数の信号端子28、30は、封止体20の側面20cにおいて、封止体20の内外に亘って延びている。各々の電力端子22、24、26は、封止体20の内部において、少なくとも一つの半導体素子12に電気的に接続されている。各々の信号端子28、30は、例えばワイヤボンディングによって、少なくとも一つの半導体素子12の信号パッド(図示省略)と電気的に接続されている。 As shown in FIG. 1, the semiconductor module 10 includes a plurality of semiconductor elements 12, a sealing body 20, a plurality of power terminals 22, 24, 26, and a plurality of signal terminals 28, 30. The plurality of semiconductor elements 12 are sealed inside the sealing body 20. The sealing body 20 is constructed by using a thermosetting resin material such as an epoxy resin. The sealing body 20 has a first main surface 20a, a second main surface 20b located on the opposite side of the first main surface 20a, and a side surface 20c extending between the first main surface 20a and the second main surface 20b. Have. The plurality of power terminals 22, 24, 26 and the plurality of signal terminals 28, 30 extend inside and outside the sealing body 20 on the side surface 20c of the sealing body 20. Each of the power terminals 22, 24, and 26 is electrically connected to at least one semiconductor element 12 inside the sealing body 20. Each of the signal terminals 28 and 30 is electrically connected to a signal pad (not shown) of at least one semiconductor element 12 by wire bonding, for example.

図2に示すように、半導体モジュール10は、複数の導体スペーサ14、複数の第1放熱板16及び複数の第2放熱板18を備える。第1放熱板16及び第2放熱板18は、半導体素子12を挟んで対向している。複数の導体スペーサ14、複数の第1放熱板16及び複数の第2放熱板18は、封止体20の内部に一体に封止されている。封止体20の第1主表面20aには、各々の第1放熱板16が露出しており、封止体20の第2主表面20bには、各々の第2放熱板18が露出する。従って、第1放熱板16及び第2放熱板18は、各半導体素子12で生じた熱を外部に放熱する放熱板として機能する。各々の導体スペーサ14は、半導体素子12と第2放熱板18との間に介挿される。 As shown in FIG. 2, the semiconductor module 10 includes a plurality of conductor spacers 14, a plurality of first heat radiating plates 16, and a plurality of second heat radiating plates 18. The first heat radiating plate 16 and the second heat radiating plate 18 face each other with the semiconductor element 12 interposed therebetween. The plurality of conductor spacers 14, the plurality of first heat radiating plates 16, and the plurality of second heat radiating plates 18 are integrally sealed inside the sealing body 20. Each of the first heat radiating plates 16 is exposed on the first main surface 20a of the sealing body 20, and each second heat radiating plate 18 is exposed on the second main surface 20b of the sealing body 20. Therefore, the first heat radiating plate 16 and the second heat radiating plate 18 function as heat radiating plates that dissipate the heat generated by each semiconductor element 12 to the outside. Each conductor spacer 14 is inserted between the semiconductor element 12 and the second heat radiating plate 18.

半導体素子12は、半導体基板12aと上面電極12bと下面電極12cとを備える。上面電極12bは、半導体基板12aの上面に位置しており、下面電極12cは半導体基板12aの下面に位置する。半導体基板12aは、例えば炭化シリコン(SiC)を用いて構成されている。但し、半導体基板12aは、炭化シリコンに限定されず、例えばシリコン(Si)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12b及び下面電極12cは、例えば、アルミニウム系又は他の金属等を採用することができる。半導体素子12は、パワー半導体素子であり、例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)である。但し、半導体素子12の具体的な構成は限定されない。半導体素子12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素子が採用されていてもよい。また、半導体素子12は、単体のパワー半導体素子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素子を組み合わせて構成されていてもよい。あるいは、半導体素子12は、MOSFETとダイオードとを組み合わせて構成されていてもよい。 The semiconductor element 12 includes a semiconductor substrate 12a, a top electrode 12b, and a bottom electrode 12c. The upper surface electrode 12b is located on the upper surface of the semiconductor substrate 12a, and the lower surface electrode 12c is located on the lower surface of the semiconductor substrate 12a. The semiconductor substrate 12a is constructed using, for example, silicon carbide (SiC). However, the semiconductor substrate 12a is not limited to silicon carbide, and can be configured by using various semiconductor materials such as silicon (Si) and gallium nitride (GaN). For the upper surface electrode 12b and the lower surface electrode 12c, for example, aluminum-based or other metal can be adopted. The semiconductor element 12 is a power semiconductor element, for example, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). However, the specific configuration of the semiconductor element 12 is not limited. The semiconductor element 12 is not limited to the IGBT, and other power semiconductor elements such as a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) or a diode may be adopted. Further, the semiconductor element 12 is not limited to a configuration consisting of a single power semiconductor element, and may be configured by combining different types of power semiconductor elements such as an RC-IGBT (Reverse Conducting IGBT) containing an IGBT and a diode. .. Alternatively, the semiconductor element 12 may be configured by combining a MOSFET and a diode.

導体スペーサ14は、概してブロック形状を有し、例えば銅といった導体材料を用いて形成される。導体スペーサ14は、上面14aと、上面14aの反対側に位置する下面14bを有する。導体スペーサ14の下面14bは、半導体素子12の上面電極12bにはんだ層34を介して接合される。導体スペーサ14の上面14aは、後述する第2放熱板18の下面18bにはんだ層36を介して接合される。特に限定されないが、導体スペーサ14は、複数の信号端子28、30が、半導体素子12の不図示の信号パッドに接続(例えば、ワイヤボンディング)されるためのスペースを確保する。 The conductor spacer 14 generally has a block shape and is formed using a conductor material such as copper. The conductor spacer 14 has an upper surface 14a and a lower surface 14b located on the opposite side of the upper surface 14a. The lower surface 14b of the conductor spacer 14 is bonded to the upper surface electrode 12b of the semiconductor element 12 via the solder layer 34. The upper surface 14a of the conductor spacer 14 is joined to the lower surface 18b of the second heat radiating plate 18, which will be described later, via the solder layer 36. Although not particularly limited, the conductor spacer 14 secures a space for connecting (for example, wire bonding) a plurality of signal terminals 28 and 30 to a signal pad (not shown) of the semiconductor element 12.

第1放熱板16及び第2放熱板18は、概して直方体形状を有し、例えば銅といった導体材料を用いて形成される。第1放熱板16は、上面16aと、上面16aの反対側に位置する下面16bを有する。第1放熱板16の下面16bは、封止体20の第1主表面20aにおいて露出する。第1放熱板16の上面16aは、半導体素子12の下面電極12cにはんだ層32を介して接合される。これにより、第1放熱板16は、半導体素子12と電気的及び熱的に接続される。同様に、第2放熱板18は、上面18aと、上面18aの反対側に位置する下面18bを有する。第2放熱板18の上面18aは、封止体20の第2主表面20bにおいて露出する。第2放熱板18の下面18bは、導体スペーサ14の上面14aにはんだ層36を介して接合される。従って、第2放熱板18は、導体スペーサ14を介して半導体素子12に電気的及び熱的に接続される。これにより、第1放熱板16及び第2放熱板18は、半導体モジュール10の電気回路の一部としても機能する。 The first heat radiating plate 16 and the second heat radiating plate 18 generally have a rectangular parallelepiped shape, and are formed by using a conductor material such as copper. The first heat radiating plate 16 has an upper surface 16a and a lower surface 16b located on the opposite side of the upper surface 16a. The lower surface 16b of the first heat radiating plate 16 is exposed on the first main surface 20a of the sealing body 20. The upper surface 16a of the first heat radiation plate 16 is joined to the lower surface electrode 12c of the semiconductor element 12 via the solder layer 32. As a result, the first heat radiating plate 16 is electrically and thermally connected to the semiconductor element 12. Similarly, the second heat radiating plate 18 has an upper surface 18a and a lower surface 18b located on the opposite side of the upper surface 18a. The upper surface 18a of the second heat radiating plate 18 is exposed on the second main surface 20b of the sealing body 20. The lower surface 18b of the second heat radiating plate 18 is joined to the upper surface 14a of the conductor spacer 14 via the solder layer 36. Therefore, the second heat radiating plate 18 is electrically and thermally connected to the semiconductor element 12 via the conductor spacer 14. As a result, the first heat radiating plate 16 and the second heat radiating plate 18 also function as a part of the electric circuit of the semiconductor module 10.

図4を参照して、半導体素子12の上面電極12b側の細部について説明する。図4に示すように、半導体素子12は、第1電極膜38と、第2電極膜40を備える。第1電極膜38は、半導体基板12a上に設けられており、第2電極膜40は、第1電極膜38上に設けられている。第2電極膜40には、導体スペーサ14がはんだ層34を介して接合される。第2電極膜40は、はんだ層34と接する上面40aと、第1電極膜38と接する下面40bと、それらの二つの面40a、40bの間に隣接する側面40cとを有する。特に限定されないが、第2電極膜40の側面40cは、第2電極膜40の断面積が上面40aから下面40bに向かって拡大するフィレット形状を有する。ここでいう断面積は、第2電極膜40の厚み方向に垂直に切断したときの断面積を示す。 The details of the semiconductor element 12 on the upper surface electrode 12b side will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 4, the semiconductor element 12 includes a first electrode film 38 and a second electrode film 40. The first electrode film 38 is provided on the semiconductor substrate 12a, and the second electrode film 40 is provided on the first electrode film 38. A conductor spacer 14 is bonded to the second electrode film 40 via a solder layer 34. The second electrode film 40 has an upper surface 40a in contact with the solder layer 34, a lower surface 40b in contact with the first electrode film 38, and side surfaces 40c adjacent to the two surfaces 40a and 40b. Although not particularly limited, the side surface 40c of the second electrode film 40 has a fillet shape in which the cross-sectional area of the second electrode film 40 expands from the upper surface 40a to the lower surface 40b. The cross-sectional area referred to here indicates the cross-sectional area when the second electrode film 40 is cut perpendicularly in the thickness direction.

また、第2電極膜40の側面40cは、少なくとも部分的に凹凸形状40dを有している。凹凸形状40dは、例えば第2電極膜40の側面40cの全周に亘って又は部分的に設けられている。一例であるが、凹凸形状40dは、側面40c上にランダムに配置された複数の凹部及び/又は複数の凸部によって構成されている。但し、凹凸形状40dの具体的構成は、特に限定されない。凹凸形状40dは、複数の溝及び/又は複数の突条で構成されていてもよい。第1電極膜38は、例えばアルミニウム系又は他の金属によって構成されている。第2電極膜40は、例えばニッケル系又は他の金属によって構成される。ここでいうアルミニウム系とは、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)を示しており、ニッケル系とは、純ニッケル又はニッケルを主成分とした合金を示す。 Further, the side surface 40c of the second electrode film 40 has an uneven shape 40d at least partially. The concave-convex shape 40d is provided, for example, over the entire circumference of the side surface 40c of the second electrode film 40 or partially. As an example, the concave-convex shape 40d is composed of a plurality of concave portions and / or a plurality of convex portions randomly arranged on the side surface 40c. However, the specific configuration of the concave-convex shape 40d is not particularly limited. The concave-convex shape 40d may be composed of a plurality of grooves and / or a plurality of ridges. The first electrode film 38 is made of, for example, an aluminum-based film or another metal. The second electrode film 40 is made of, for example, a nickel-based or other metal. The term "aluminum" as used herein refers to pure aluminum or an alloy containing aluminum as a main component (for example, aluminum-silicon), and the term "nickel" refers to pure nickel or an alloy containing nickel as a main component.

半導体素子12は、上面電極12bを部分的に覆う保護膜42を備える。保護膜42は、第1電極膜38上において、第2電極膜40に隣接して設けられている。保護膜42は、第2電極膜40の側面40c(特に、側面40cの凹凸形状40dを有する範囲)に接触している。また、保護膜42は、半導体基板12aの周縁12eに沿って枠状に延びている。保護膜42は、開口42wを有し、その開口42wにおいて、上面電極12bの第2電極膜40を半導体素子12の外部に露出する。従って、第2電極膜40は、開口42wを介してはんだ層34に接合される。保護膜42は、絶縁性を有する樹脂材料であって、例えばポリイミド等を用いて構成されている。保護膜42は、半導体素子12の耐圧を維持したり、半導体素子12に異物が接触することを防止する機能を有する。 The semiconductor element 12 includes a protective film 42 that partially covers the top electrode 12b. The protective film 42 is provided on the first electrode film 38 adjacent to the second electrode film 40. The protective film 42 is in contact with the side surface 40c of the second electrode film 40 (particularly, the range having the uneven shape 40d of the side surface 40c). Further, the protective film 42 extends in a frame shape along the peripheral edge 12e of the semiconductor substrate 12a. The protective film 42 has an opening 42w, and the second electrode film 40 of the top electrode 12b is exposed to the outside of the semiconductor element 12 at the opening 42w. Therefore, the second electrode film 40 is bonded to the solder layer 34 through the opening 42w. The protective film 42 is a resin material having an insulating property, and is made of, for example, polyimide or the like. The protective film 42 has a function of maintaining the withstand voltage of the semiconductor element 12 and preventing foreign matter from coming into contact with the semiconductor element 12.

一般に、半導体モジュール10では、半導体モジュール10に断続的に通電されることによって、半導体素子12を含む構成部品の温度が繰り返し変動する。この温度変動が繰り返されたときに、半導体素子12の内部で大きな応力が生じると、半導体素子12がダメージを受けるおそれがある。この点に関して、上記した半導体素子12では、第1電極膜38上に第2電極膜40と保護膜42とが隣接して設けられている。従って、第1電極膜38と第2電極膜40と保護膜42といった、三種の異種材料が互いに集まる三重点TPが存在している。このような三重点TPでは、特に応力が集中しやすくなる。 Generally, in the semiconductor module 10, the temperature of the component component including the semiconductor element 12 fluctuates repeatedly by intermittently energizing the semiconductor module 10. If a large stress is generated inside the semiconductor element 12 when this temperature fluctuation is repeated, the semiconductor element 12 may be damaged. In this regard, in the semiconductor element 12 described above, the second electrode film 40 and the protective film 42 are provided adjacent to each other on the first electrode film 38. Therefore, there is a triple point TP in which three different materials such as the first electrode film 38, the second electrode film 40, and the protective film 42 gather together. In such a triple point TP, stress tends to be particularly concentrated.

上記課題を鑑みて、実施例1の半導体素子12では、保護膜42と接する第2電極膜40の側面40cが、少なくとも部分的に凹凸形状40dを有している。従って、保護膜42と第2電極膜40との間はアンカー効果によって互いに強固に密着する。これにより、保護膜42と第2電極膜40の間において、半導体素子12の温度変動による相対変位が抑制される。特に、凹凸形状40dは、第2電極膜40の側面40cに設けられており、三重点TPに近接している。これにより、三重点TPにおける応力の集中を効果的に緩和することができる。 In view of the above problems, in the semiconductor element 12 of the first embodiment, the side surface 40c of the second electrode film 40 in contact with the protective film 42 has an uneven shape 40d at least partially. Therefore, the protective film 42 and the second electrode film 40 are firmly adhered to each other by the anchor effect. As a result, the relative displacement of the semiconductor element 12 due to the temperature fluctuation is suppressed between the protective film 42 and the second electrode film 40. In particular, the uneven shape 40d is provided on the side surface 40c of the second electrode film 40 and is close to the triple point TP. As a result, the stress concentration at the triple point TP can be effectively relaxed.

なお、この第2電極膜40に設けられる凹凸形状40dは、図3に例示したような形状に限定されず、様々に変更することができる。図4(A)−(C)に示すように、凹凸形状40dが、側面40c上に設けられた複数の溝によって構成されていてもよい。溝の形状、溝の深さ寸法、溝の幅寸法、溝と溝との間の間隔、及び溝の数についても、特に限定されない。一例ではるが、図4(A)に示すように、溝の断面形状は、概して矩形形状であってもよい。図4(B)に示すように、溝の断面形状が概して半円形状であってもよいし、図4(C)に示すように、溝の断面形状が概して三角形状であってもよい。ここでいう溝の断面形状は、溝の長手方向に対して垂直に切断したときの断面形状を示す。加えて、第2電極膜40の側面40cにおける凹凸形状40dの位置は、三重点TPとの間隔が短いとよい。この場合、三重点TPに生じる応力集中をより効果的に緩和することができる。また、凹凸形状40dは、第2電極膜40の側面40cに全周に亘って設けられていてもよい。あるいは、凹凸形状40dは、第2電極膜40の側面40cのうち、例えば上面電極12bが有する複数の角部に位置する範囲に部分的に設けられていてもよい。角部には特に応力が集中しやすくなるため、三重点TPに生じる応力を効率良く緩和することができる。 The concave-convex shape 40d provided on the second electrode film 40 is not limited to the shape illustrated in FIG. 3, and can be changed in various ways. As shown in FIGS. 4A to 4C, the concave-convex shape 40d may be composed of a plurality of grooves provided on the side surface 40c. The shape of the groove, the depth dimension of the groove, the width dimension of the groove, the distance between the grooves, and the number of grooves are not particularly limited. As an example, as shown in FIG. 4A, the cross-sectional shape of the groove may be generally rectangular. As shown in FIG. 4 (B), the cross-sectional shape of the groove may be generally semicircular, or as shown in FIG. 4 (C), the cross-sectional shape of the groove may be generally triangular. The cross-sectional shape of the groove referred to here indicates the cross-sectional shape when cut perpendicularly to the longitudinal direction of the groove. In addition, the position of the concave-convex shape 40d on the side surface 40c of the second electrode film 40 should have a short distance from the triple point TP. In this case, the stress concentration generated at the triple point TP can be relaxed more effectively. Further, the uneven shape 40d may be provided on the side surface 40c of the second electrode film 40 over the entire circumference. Alternatively, the uneven shape 40d may be partially provided in a range of the side surface 40c of the second electrode film 40, which is located at a plurality of corners of the upper surface electrode 12b, for example. Since stress is particularly likely to be concentrated on the corners, the stress generated at the triple point TP can be efficiently relieved.

図5〜図13を参照して、半導体素子12の製造方法について説明する。ここでは特に、上面電極12bの第1電極膜38、第2電極膜40、保護膜42の形成について説明する。半導体素子12の他の構成については、既知の技術を用いて製造することができる。但し、以下に説明する方法は一例であり、これに限定されない。なお、ここでは、半導体基板12aは炭化シリコンで形成されており、その半導体基板12a上に不図示の酸化膜(例えば二酸化ケイ素(SiO2))及びチタン系金属膜(例えば、窒化チタン(TiN)/チタン(Ti))を形成させたものを採用している。 A method for manufacturing the semiconductor element 12 will be described with reference to FIGS. 5 to 13. Here, in particular, the formation of the first electrode film 38, the second electrode film 40, and the protective film 42 of the upper surface electrode 12b will be described. Other configurations of the semiconductor device 12 can be manufactured using known techniques. However, the method described below is an example and is not limited to this. Here, the semiconductor substrate 12a is made of silicon carbide, and an oxide film (for example, silicon dioxide (SiO 2 )) and a titanium-based metal film (for example, titanium nitride (TiN)) (not shown) and a titanium-based metal film (for example, titanium nitride (TiN)) are not shown on the semiconductor substrate 12a. / Titanium (Ti)) is formed.

図5に示すように、用意した半導体基板12a上に第1電極膜38を形成した後、第1電極膜38に第2電極膜40を形成する。第1電極膜38及び第2電極膜40は、めっき処理によって形成することができる。 As shown in FIG. 5, after the first electrode film 38 is formed on the prepared semiconductor substrate 12a, the second electrode film 40 is formed on the first electrode film 38. The first electrode film 38 and the second electrode film 40 can be formed by a plating process.

図6に示すように、露出した第1電極膜38上及び露出した第2電極膜40上(即ち、上面40a)にレジスト膜44をそれぞれ形成する。このとき、レジスト膜44は、第2電極膜40の側面40cの少なくとも一部の範囲を除いて、レジスト膜44を形成する。レジスト膜44は、後工程でエッチング処理される第2電極膜40の側面40c以外の表面を保護する。 As shown in FIG. 6, a resist film 44 is formed on the exposed first electrode film 38 and the exposed second electrode film 40 (that is, the upper surface 40a), respectively. At this time, the resist film 44 forms the resist film 44 except for at least a part of the side surface 40c of the second electrode film 40. The resist film 44 protects surfaces other than the side surface 40c of the second electrode film 40, which is etched in a subsequent step.

図7に示すように、第2電極膜40の側面40cに凹凸形状40dを形成する。一例ではあるが、凹凸形状40dは、ドライエッチングによって形成される。図8に示すように、レジスト膜44を除去する。レジスト膜44はアッシング処理によって分解及び除去される。 As shown in FIG. 7, a concave-convex shape 40d is formed on the side surface 40c of the second electrode film 40. As an example, the uneven shape 40d is formed by dry etching. As shown in FIG. 8, the resist film 44 is removed. The resist film 44 is decomposed and removed by an ashing treatment.

図9〜図13を参照して、保護膜42の形成方法について説明する。先ず、図9に示すように、保護膜42の構成成分である樹脂溶液43sを半導体基板12a(即ち、第1電極膜38及び第2電極膜40)上に塗布する。このとき、一例ではあるが、樹脂溶液43sは、スピンコート法により半導体基板12a上に塗布される。次いで、図10に示すように、プリベークを実施する。このプリベークにより、塗布された樹脂溶液43sは溶剤が揮発し、樹脂膜43が形成される。ここで、プリベーク温度は、例えば約90℃度であってよい。これにより、樹脂膜43が安定化する。 A method of forming the protective film 42 will be described with reference to FIGS. 9 to 13. First, as shown in FIG. 9, the resin solution 43s, which is a component of the protective film 42, is applied onto the semiconductor substrate 12a (that is, the first electrode film 38 and the second electrode film 40). At this time, although it is an example, the resin solution 43s is applied onto the semiconductor substrate 12a by the spin coating method. Then, as shown in FIG. 10, prebaking is performed. By this prebaking, the solvent volatilizes in the applied resin solution 43s, and the resin film 43 is formed. Here, the prebake temperature may be, for example, about 90 ° C. As a result, the resin film 43 is stabilized.

次いで、図11に示すように、プリベークされた半導体基板12aを露光処理する。具体的には、不図示のフォトマスク(レチクルとも称する)を介して、半導体基板12a上の樹脂膜43の表面に向けて光を照射し、樹脂膜43の所定の範囲(ここでは、保護膜42が形成される領域を除く範囲)を露光する。次いで、図12に示すように、露光処理された半導体基板12aを現像処理する。現像処理によって、露光された不要部分(保護膜42が形成される領域を除く範囲)が除去され、洗浄される。これにより、保護膜42が形成される。最後に、図13に示すように、現像処理された半導体基板12aをポストベークする。このポストベークによって、保護膜42と半導体基板12a(即ち、第1電極膜38及び第2電極膜40)との密着性が高まる。ここで、ポストベーク温度は、例えば約110℃であってよい。 Next, as shown in FIG. 11, the prebaked semiconductor substrate 12a is exposed. Specifically, light is irradiated toward the surface of the resin film 43 on the semiconductor substrate 12a through a photomask (also referred to as a reticle) (not shown), and a predetermined range of the resin film 43 (here, a protective film) is applied. The range excluding the region where 42 is formed) is exposed. Next, as shown in FIG. 12, the exposed semiconductor substrate 12a is developed. By the developing process, the exposed unnecessary portion (the range excluding the region where the protective film 42 is formed) is removed and washed. As a result, the protective film 42 is formed. Finally, as shown in FIG. 13, the developed semiconductor substrate 12a is post-baked. By this post-baking, the adhesion between the protective film 42 and the semiconductor substrate 12a (that is, the first electrode film 38 and the second electrode film 40) is enhanced. Here, the post-bake temperature may be, for example, about 110 ° C.

以上の製造方法により、半導体素子12の製造は完了する。作製された半導体素子12は、はんだ付けによって、半導体モジュール10内に組み込まれる。実施例1では、第1電極膜38及び第2電極膜40を形成した後、保護膜42を形成したが、この製造順序については特に限定されない。また、第2電極膜40の凹凸形状40dは、ドライエッチングにより形成したが、この形成方法についても特に限定されない。半導体素子12の形状に伴って、製造方法も適宜変更することが可能である。 The manufacturing of the semiconductor element 12 is completed by the above manufacturing method. The manufactured semiconductor element 12 is incorporated into the semiconductor module 10 by soldering. In Example 1, the first electrode film 38 and the second electrode film 40 are formed, and then the protective film 42 is formed, but the production order is not particularly limited. Further, the uneven shape 40d of the second electrode film 40 is formed by dry etching, but the forming method is not particularly limited. The manufacturing method can be appropriately changed according to the shape of the semiconductor element 12.

(実施例2)実施例1で説明した半導体モジュール10には、実施例1の半導体素子12に代えて、実施例2の半導体素子112を採用することもできる。図14を参照して、半導体モジュール10に内蔵された実施例2の半導体素子112について説明する。図14に示すように、半導体素子112は、半導体基板12aと、上面電極112bと、下面電極(図示省略)とを備える。実施例2の半導体素子112は、上面電極112bの構成についてのみ、実施例1の半導体素子12と異なっている。他の構成については、実施例1と同様のため説明は省略する。なお、実施例1と同様の構成の場合は同じ参照番号を付して示す。 (Example 2) In the semiconductor module 10 described in the first embodiment, the semiconductor element 112 of the second embodiment may be adopted instead of the semiconductor element 12 of the first embodiment. The semiconductor element 112 of the second embodiment built in the semiconductor module 10 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 14, the semiconductor element 112 includes a semiconductor substrate 12a, an upper surface electrode 112b, and a lower surface electrode (not shown). The semiconductor element 112 of the second embodiment is different from the semiconductor element 12 of the first embodiment only in the configuration of the top electrode 112b. Since the other configurations are the same as those in the first embodiment, the description thereof will be omitted. In the case of the same configuration as in the first embodiment, the same reference number is attached.

半導体素子112は、第1電極膜38と、第2電極膜140を備える。第1電極膜38は、半導体基板12a上に設けられており、第2電極膜140は、第1電極膜38上に設けられている。第2電極膜140には、導体スペーサ14がはんだ層34を介して接合される。第2電極膜140は、はんだ層34と接する上面140aと、第1電極膜38と接する下面140bと、それらの二つの面140a、140bの間に隣接する側面140cとを有する。 The semiconductor element 112 includes a first electrode film 38 and a second electrode film 140. The first electrode film 38 is provided on the semiconductor substrate 12a, and the second electrode film 140 is provided on the first electrode film 38. A conductor spacer 14 is bonded to the second electrode film 140 via a solder layer 34. The second electrode film 140 has an upper surface 140a in contact with the solder layer 34, a lower surface 140b in contact with the first electrode film 38, and side surfaces 140c adjacent to the two surfaces 140a and 140b.

第2電極膜140の側面140cは、少なくとも部分的に凹凸形状40dを有している。一例であるが、凹凸形状140dは、側面140c上にランダムに配置された複数の凹部及び/又は複数の凸部によって構成されている。但し、凹凸形状140dの具体的構成は、特に限定されない。凹凸形状140dは、複数の溝及び/又は複数の突条で構成されていてもよい。第1電極膜38は、例えばアルミニウム系又は他の金属によって構成されている。第2電極膜140は、例えばニッケル系又は他の金属によって構成される。ここでいうアルミニウム系とは、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)を示しており、ニッケル系とは、純ニッケル又はニッケルを主成分とした合金を示す。 The side surface 140c of the second electrode film 140 has an uneven shape 40d at least partially. As an example, the concave-convex shape 140d is composed of a plurality of concave portions and / or a plurality of convex portions randomly arranged on the side surface 140c. However, the specific configuration of the concave-convex shape 140d is not particularly limited. The concave-convex shape 140d may be composed of a plurality of grooves and / or a plurality of ridges. The first electrode film 38 is made of, for example, an aluminum-based film or another metal. The second electrode film 140 is made of, for example, a nickel-based or other metal. The term "aluminum" as used herein refers to pure aluminum or an alloy containing aluminum as a main component (for example, aluminum-silicon), and the term "nickel" refers to pure nickel or an alloy containing nickel as a main component.

半導体素子112は、上面電極112bを部分的に覆う保護膜142を備える。保護膜142は、第1電極膜38上において、第2電極膜140に隣接して設けられている。保護膜142は、第2電極膜140の側面140c(特に、側面140cの凹凸形状140dを有する範囲)に接触している。また、保護膜142は、半導体基板12aの周縁12eに沿って枠状に延びている。保護膜142は、開口142wを有し、その開口142wにおいて、上面電極112bの第2電極膜140を半導体素子12の外部に露出する。従って、第2電極膜140は、開口142wを介してはんだ層34に接合される。なお、保護膜142は、開口142wから第1電極膜38に向かって延びる内壁142aを有しており、内壁142aは、第2電極膜140の側面140cと接触している。この内壁142aが側面140cと接触する点について、実施例1と異なっている。 The semiconductor element 112 includes a protective film 142 that partially covers the top electrode 112b. The protective film 142 is provided on the first electrode film 38 adjacent to the second electrode film 140. The protective film 142 is in contact with the side surface 140c of the second electrode film 140 (particularly, the range having the uneven shape 140d of the side surface 140c). Further, the protective film 142 extends in a frame shape along the peripheral edge 12e of the semiconductor substrate 12a. The protective film 142 has an opening 142w, and at the opening 142w, the second electrode film 140 of the top electrode 112b is exposed to the outside of the semiconductor element 12. Therefore, the second electrode film 140 is bonded to the solder layer 34 via the opening 142w. The protective film 142 has an inner wall 142a extending from the opening 142w toward the first electrode film 38, and the inner wall 142a is in contact with the side surface 140c of the second electrode film 140. The point that the inner wall 142a contacts the side surface 140c is different from that of the first embodiment.

実施例2の半導体素子112の場合も、保護膜142と接する第2電極膜140の側面140cが、少なくとも部分的に凹凸形状140dを有している。従って、保護膜142と第2電極膜140との間はアンカー効果によって互いに強固に密着する。これにより、保護膜142と第2電極膜140の間において、半導体素子112の温度変動による相対変位が抑制される。特に、凹凸形状140dは、第2電極膜140の側面140cに設けられており、三重点TPに近接している。これにより、三重点TPにおける応力の集中を効果的に緩和することができる。 Also in the case of the semiconductor element 112 of the second embodiment, the side surface 140c of the second electrode film 140 in contact with the protective film 142 has an uneven shape 140d at least partially. Therefore, the protective film 142 and the second electrode film 140 are firmly adhered to each other by the anchor effect. As a result, the relative displacement of the semiconductor element 112 due to the temperature fluctuation is suppressed between the protective film 142 and the second electrode film 140. In particular, the uneven shape 140d is provided on the side surface 140c of the second electrode film 140 and is close to the triple point TP. As a result, the stress concentration at the triple point TP can be effectively relaxed.

なお、発明者らは、実施例1の半導体素子12又は実施例2の半導体素子112が内蔵された半導体モジュール10の使用時(即ち、半導体素子12、112に繰り返し温度変動が生じる場合)を想定した条件下において、第2電極膜40、140に接触する第1電極膜38の表面に生じる非線形ひずみ振幅Δεをシミュレーションにより調査している。ここでいう、非線形ひずみ振幅Δεは、塑性ひずみ(即ち、塑性変形)とクリープひずみ(クリープ変形)の和である。この非線形ひずみ振幅Δεと寿命N(最初にクラックが生じるサイクル回数)との関係はコフィン−マンソン(Coffin−Manson)則に従い、下式で表すことができ、非線形ひずみ振幅Δεは、寿命Nの判断基準の指標に一般的によく用いられる。ここで、α、及びCは、材料定数である。
Δε・N α=C
また、実施例1の比較例としては、実施例1の構成で第2電極膜40の側面40cが凹凸形状40dを有していない従来技術の半導体素子を内蔵した半導体モジュールを用いている。このとき、実施例1の半導体素子12の場合では、非線形歪み振幅Δεは、従来技術と比較して最大約79%低減した。
実施例2の比較例としては、実施例2の構成で第2電極膜140の側面140cが凹凸形状140dを有していない従来技術の半導体素子を内蔵した半導体モジュールを用いている。実施例2の半導体素子112の場合では、非線形ひがみ振幅Δεは、従来技術と比較して最大約45%低減した。
このことから、保護膜42、142と接する第2電極膜40、140の側面40c、140cが凹凸形状40d、140dを有することによって、三重点TPに生じるひずみが低減する。即ち、上記した構造により、三重点TPに生じる応力も低減させることが推察される。
The inventors assume that the semiconductor element 12 of Example 1 or the semiconductor module 10 incorporating the semiconductor element 112 of Example 2 is used (that is, when the semiconductor elements 12 and 112 repeatedly change in temperature). Under the above conditions, the nonlinear strain amplitude Δε generated on the surface of the first electrode film 38 in contact with the second electrode films 40 and 140 is investigated by simulation. The non-linear strain amplitude Δε referred to here is the sum of the plastic strain (that is, plastic deformation) and the creep strain (creep deformation). The relationship between this nonlinear strain amplitude Δε and the lifetime N f (the number of cycles in which cracks first occur) can be expressed by the following equation according to the Coffin-Manson law, and the nonlinear strain amplitude Δε can be expressed as the lifetime N f. It is commonly used as an index of the judgment criteria of. Here, α and C are material constants.
Δε · N f α = C
Further, as a comparative example of the first embodiment, a semiconductor module having a conventional semiconductor element in which the side surface 40c of the second electrode film 40 does not have the concave-convex shape 40d in the configuration of the first embodiment is used. At this time, in the case of the semiconductor element 12 of Example 1, the nonlinear distortion amplitude Δε was reduced by a maximum of about 79% as compared with the prior art.
As a comparative example of the second embodiment, a semiconductor module having a conventional semiconductor element in which the side surface 140c of the second electrode film 140 does not have the uneven shape 140d in the configuration of the second embodiment is used. In the case of the semiconductor element 112 of the second embodiment, the nonlinear distortion amplitude Δε was reduced by up to about 45% as compared with the prior art.
From this, the strain generated at the triple point TP is reduced by having the side surfaces 40c and 140c of the second electrode films 40 and 140 in contact with the protective films 42 and 142 having the uneven shapes 40d and 140d. That is, it is inferred that the above-mentioned structure also reduces the stress generated at the triple point TP.

以上、本明細書が開示する技術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り、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。本明細書又は図面に例示した技術は、複数の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。 Although specific examples of the techniques disclosed in the present specification have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of claims. The techniques described in the claims include various modifications and modifications of the specific examples illustrated above. The technical elements described in the present specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. The techniques illustrated in this specification or drawings can achieve a plurality of objectives at the same time, and achieving one of the objectives itself has technical usefulness.

10:半導体モジュール
12、112:半導体素子
12a:半導体基板
12b、112b:上面電極
12c:下面電極
14:導体スペーサ
16、18:放熱板
20:封止体
22、24、26:電力端子
28、30:信号端子
32、34、36:はんだ層
38:第1電極膜
40:第2電極膜
40c、140c:第2電極膜の側面
40d、140d:凹凸形状
42、142:保護膜
42w、142w:開口
142a:内壁
TP:三重点
10: Semiconductor module 12, 112: Semiconductor element 12a: Semiconductor substrate 12b, 112b: Top electrode 12c: Bottom electrode 14: Conductor spacer 16, 18: Heat dissipation plate 20: Encapsulant 22, 24, 26: Power terminal 28, 30 : Signal terminals 32, 34, 36: Solder layer 38: First electrode film 40: Second electrode film 40c, 140c: Side surface 40d, 140d of second electrode film: Concavo-convex shape 42, 142: Protective film 42w, 142w: Opening 142a: Inner wall TP: Triple point

Claims (1)

半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられた第1電極膜と、
前記第1電極膜上に設けられた第2電極膜と、
前記第1電極膜上において、前記第2電極膜に隣接して設けられており、前記第2電極膜の側面に接触する保護膜と、を備え、
前記第2電極膜の前記側面は、少なくとも部分的に凹凸形状を有している、
半導体装置。
With a semiconductor substrate
The first electrode film provided on the semiconductor substrate and
The second electrode film provided on the first electrode film and
On the first electrode film, a protective film provided adjacent to the second electrode film and in contact with the side surface of the second electrode film is provided.
The side surface of the second electrode film has an uneven shape at least partially.
Semiconductor device.
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