JP2021044300A - 半導体装置 - Google Patents

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真也 関
Masaya Seki
真也 関
大輔 小池
Daisuke Koike
大輔 小池
将彦 堀
Masahiko Hori
将彦 堀
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Toshiba Corp
Toshiba Electronic Devices and Storage Corp
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Abstract

【課題】電力損失の抑制された半導体装置を提供する。【解決手段】本実施形態の半導体装置は、凸部を有するリードフレームと、凸部上に設けられた半導体チップと、凸部と半導体チップの間に設けられ、凸部の上面及び側面に接し、リードフレームと半導体チップを接合している接合材と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
発電や送電、ポンプやブロアなどの回転機、通信システムや工場などの電源装置、交流モータによる鉄道、電気自動車、家庭用電化製品等の幅広い分野に向けた、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ−Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の、電力制御用に設計されたパワー半導体チップの開発が行われている。
また、かかるパワー半導体チップを用いた、パワーモジュールとしての半導体装置の開発が行われている。このような半導体装置には、高電流密度化、低損失化、高放熱化等のスペックが要求されている。
特開２０１５−５６２３８号公報
本発明が解決しようとする課題は、信頼性の向上した半導体装置を提供することである。
実施形態の半導体装置は、凸部を有するリードフレームと、凸部上に設けられた半導体チップと、凸部と半導体チップの間に設けられ、凸部の上面及び側面に接し、リードフレームと半導体チップを接合している接合材と、を備える。
第１実施形態の半導体装置の模式断面図である。 第１実施形態のチップ面の形状と凸部の上面の形状を示す模式図である。 第１実施形態の半導体装置の製造方法において、製造途中の半導体装置を示す模式断面図である。 第１実施形態の半導体装置の製造方法のフローチャートである。 第１実施形態の比較形態となる半導体装置の模式断面図である。 第２実施形態の半導体装置の模式断面図である。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明では、同一又は類似の部材には同一の符号を付す場合がある。また、一度説明した部材等については適宜その説明を省略する場合がある。
本明細書中、部品等の位置関係を示すために、図面の上方向を「上」、図面の下方向を「下」と記述する。本明細書中、「上」、「下」の概念は、必ずしも重力の向きとの関係を示す用語ではない。
（第１実施形態）
本実施形態の半導体装置は、凸部を有するリードフレームと、凸部上に設けられた半導体チップと、凸部と半導体チップの間に設けられ、凸部の上面及び側面に接し、リードフレームと半導体チップを接合している接合材と、を備える。
図１は、実施形態の半導体装置１００の模式断面図である。
図１（ａ）は、実施形態の一態様の半導体装置１００の模式断面図である。
半導体装置１００は、リードフレーム１０と、半導体チップ２０と、接合材３０と、を備える。
リードフレーム１０は、例えば、Ｃｕ（銅）等の金属又は合金で形成されている。なおリードフレーム１０の表面には、例えば、Ａｕ（金）、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ｓｎ（錫）又はＮｉ（ニッケル）等を含む図示しない薄膜が設けられていても良い。
リードフレーム１０は、凸部１２を有する。図１（ａ）には、凸部１２の上面１４及び側面１６、及び凸部１２の周囲のリードフレームの上面１１があわせて示されている。
凸部１２の高さｈ１は、２０μｍ以上３５μｍ以下であることが好ましい。
半導体チップ２０は、凸部１２の上に設けられている。半導体チップ２０は、側面２２２と、上面２４と、チップ面（下面）２６を有する。
半導体チップ２０は、例えば、Ｓｉ（シリコン）を用いた縦型のＳｉ−ＩＧＢＴである。なお、半導体チップ２０は、Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴ、Ｓｉ−ＦＲＤ（Ｆａｓｔ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｄｉｏｄｅ）、ＳｉＣ（炭化珪素）を用いたＳｉＣ−ＩＧＢＴ、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ又はＳｉＣ−ＳＢＤ（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｄｉｏｄｅ）、又はＩＩＩ−Ｖ族半導体においてＶ族元素が窒素である窒化物半導体を用いたＧａＮ−ＭＯＳＦＥＴ等であってもかまわない。また、半導体チップ２０としては、いわゆるパワー半導体チップでなくてもかまわない。
半導体チップ２０のチップ厚は、例えば、２５０μｍ程度である。なお、半導体チップ２０のチップ厚は、これに限定されるものではない。
接合材３０は、凸部１２と半導体チップ２０の間に設けられている。接合材３０は、凸部１２の上面１４及び側面１６に接し、リードフレーム１０と半導体チップ２０を接合している。
接合材３０としては、特に限定されるものではないが、例えば、エポキシ系ダイアタッチ材、シリコーン系ダイアタッチ材、ポリイミド系ダイアタッチ材、アクリル系ダイアタッチ材等の絶縁物を用いたダイアタッチ材、電気伝導性を有する材料を用いたダイアタッチ材等が好ましく用いられる。例えば、接合材３０が電気伝導性を有する材料を用いたダイアタッチ材であり、半導体チップ２０がＳｉ（シリコン）を用いた縦型のＳｉ−ＩＧＢＴである場合には、半導体チップ２０を流れた電流は、接合材３０を介して、接合材３０の凸部１２を含むリードフレーム１０に流れる。
図１（ｂ）は、本実施形態の他の態様の半導体装置の模式断面図である。接合材３０は、凸部１２の周囲のリードフレームの上面１１の上に広がって接している。
図２は、本実施形態のチップ面２６の形状と凸部１２の上面１４の形状を示す模式図である。
図２（ａ）においては、チップ面２６の形状及び凸部１２の上面１４の形状が、いずれも正方形である。図２（ｂ）においては、チップ面２６の形状及び凸部１２の上面１４の形状が、いずれも長方形である。なお、チップ面２６の形状及び凸部１２の上面１４の形状はこれに限定されるものではなく、例えば三角形や円等であってもかまわない。
半導体チップ２０のチップ面２６の面積をＳ１、凸部１２の上面１４の面積をＳ２としたときに、０．７Ｓ１≦Ｓ２≦０．９Ｓ１であることが好ましい。
チップ面２６の形状と凸部１２の上面１４の形状は、互いに相似であることが好ましい。図２（ａ）において、チップ面２６の形状及び凸部１２の上面１４の形状は、いずれも正方形であり、互いに相似である。また、図２（ｂ）は、チップ面２６の形状及び凸部１２の上面１４の形状は、いずれも長方形であり、互いに相似である。
図３は、本実施形態の半導体装置１００の製造方法において、製造途中の半導体装置１００を示す模式断面図である。図４は、本実施形態の半導体装置１００の製造方法のフローチャートである。
まず、凸部１２を有するリードフレーム１０を準備する。ここで、凸部１２は、例えば、リードフレーム１０のエッチング又はコイニング等により形成される（図３（ａ）、図４（Ｓ１０））。
次に、凸部１２の上面１４の上に、固化していない接合材３２を塗布する（図３（ｂ）、図４（Ｓ２０））。
次に、固化していない接合材３２の上に、半導体チップ２０を載置する。このときに、固化していない接合材３２が、凸部の側面１６にはみ出し、凸部の側面１６に接する。なお、図示されていないが、固化していない接合材３２は、凸部１２の周囲のリードフレーム１０の上面１１にはみ出し、凸部１２の周囲のリードフレーム１０の上面１１に接していても構わない（図３（ｃ）、図４（Ｓ３０））。また、固化していない接合材３２は、凸部１２の周囲のリードフレームの上面１１の上に広がって接していても良い。
次に、半導体チップ２０が載置された状態で、リードフレーム１０、固化していない接合材３２及び半導体チップ２０を熱処理する。これにより、固化していない接合材３０が固化して接合材３０となり、リードフレーム１０と半導体チップ２０を接合して、本実施形態の半導体装置１００を得る（図３（ｄ）、図４（Ｓ４０））。
次に、本実施形態の半導体装置１００の作用効果を記載する。
図５は、本実施形態の比較形態となる半導体装置の模式断面図である。図５（ａ）は、本実施形態の比較形態となる半導体装置８００の模式断面図であり、図５（ｂ）は、本実施形態の比較形態となる半導体装置８１０の模式断面図である。
半導体チップ２０をリードフレームの上に載置する際には、接合材３０が用いられる。ここで、固化していない接合材３２の上に半導体チップ２０を載置した場合には、固化していない接合材３２の一部は半導体チップ２０の下側からはみ出してしまう。そして、接合材３０が半導体チップ２０の側面２２に接したり（図５（ａ））、接合材３０が半導体チップの上面２４に接してしまう（図５（ｂ））という問題があった。特に、接合材３０が導電性を有する場合には、半導体チップ２０の上面２４に設けられた電極と半導体チップのチップ面（下面）２６に設けられた電極が短絡してしまうという問題があった。
この問題を解決するために、半導体チップ２０の膜厚を厚くすることが考えられる。しかし、特に縦型のＳｉ−ＩＧＢＴ等の場合には、半導体チップ２０の膜厚が厚くなると、オン抵抗が増加してしまうという問題があった。
半導体チップ２０の膜厚が薄い場合には、シート状のダイアタッチフィルム（ＤＡＦ）を接合材３０として用いることにより、接合材３０が半導体チップ２０の側面２２や上面２４に接する問題を回避し得る。しかし、ダイアタッチフィルムは高コストであるため、単価の安い半導体チップ２０に対して適用することは困難であるという問題があった。
本実施形態の半導体装置においては、リードフレーム１０は凸部１２を有している。そして、半導体チップ２０は凸部１２の上に設けられ、半導体チップ２０と凸部１２の間に設けられた接合材３０を用いて接合されている。
凸部１２が設けられていることにより、固化していない接合材３２の上に半導体チップ２０を載置する際に、固化していない接合材３２は凸部１２の側面１６にはみ出し、凸部１２の側面１６又は凸部１２の周囲のリードフレームの上面１１の上に広がって接する。これにより、接合材３０が半導体チップ２０の側面２２や上面２４に接することを抑制できるため、信頼性の向上した半導体装置を提供することが可能になる。
半導体チップ２０のチップ面２６の面積をＳ１、凸部１２の上面１４の面積をＳ２としたときに、０．７Ｓ１≦Ｓ２≦０．９Ｓ１であることが好ましい。Ｓ２＜０．７Ｓ１である場合には、凸部１２の上面１４の面積Ｓ２が小さすぎるため、凸部１２の上に半導体チップ２０の固定がうまくおこなわれないおそれがある。また、凸部１２が小さすぎるため、半導体チップ２０に流れた電流が凸部１２に流れる場合に、半導体チップ２０とリードフレーム１０の間の抵抗が大きくなってしまうおそれがある。一方、０．９Ｓ１＜Ｓ２である場合には、凸部１２の上面１４の面積Ｓ２が大きすぎるため、固化していない接合材３２が凸部１２の側面１６やリードフレームの上面１１におさまりきらずに、半導体チップ２０の側面２２や上面２４に接するおそれがある。
半導体チップ２０のチップ面２６の形状と凸部１２の上面１４の形状は互いに相似であることが好ましい。凸部１２の側面１６及び凸部１２の周囲のリードフレームの上面１１の上に、出来るだけ均一に接合材３０を分布させて、信頼性をより向上させるためである。
凸部１２の高さｈ１は２０μｍ以上３５μｍ以下であることが好ましい。凸部１２の高さｈ１が２０μｍ未満である場合には、凸部１２の高さｈ１が低すぎるために、固化していない接合材３２が凸部１２の側面１６やリードフレームの上面１１におさまりきらずに、半導体チップ２０の側面や上面に接するおそれがある。一方、凸部１２の高さｈ１が３５μｍを超える場合には、凸部１２が高すぎるために、半導体チップ２０とリードフレーム１０の間の抵抗が大きくなってしまうおそれがある。
本実施形態の半導体装置によれば、信頼性の向上した半導体装置の提供が可能となる。
（第２実施形態）
本実施形態の半導体装置においては、凸部１２の側面１６と、凸部１２の周囲のリードフレーム１０の上面１１がなす角は、９０度より大きい点で、第１実施形態の半導体装置と異なっている。ここで、第１実施形態と重複する内容については、記載を省略する。
図６は、本実施形態の半導体装置２００の模式断面図である。
半導体装置２００においては、凸部１２の側面１６と、凸部１２の周囲のリードフレーム１０の上面１１がなす角θは、９０度より大きい。
固化していない接合材３２中には気泡が含まれることがある。この気泡は、凸部１２の側面１６と凸部の周囲のリードフレームの上面１１が交わる部分１８及びその近傍に滞留しやすい。固化していない接合材３２がこのような気泡を含んだまま固化して接合材３０となった場合には、半導体装置の熱サイクルと共に気泡が収縮を繰り返すため、接合材３０にひびが入る等の劣化をおこすおそれがある。角θが９０度より大きい場合には、気泡が凸部１２の側面１６を上方に伝って抜けやすくなる。そのため、この問題を回避することが可能となる。
本実施形態の半導体装置によれば、信頼性の向上した半導体装置の提供が可能となる。
本発明のいくつかの実施形態及び実施例を説明したが、これらの実施形態及び実施例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことが出来る。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１０ リードフレーム
１１ 凸部の周囲のリードフレームの上面
１２ 凸部
１４ 凸部の上面
１６ 凸部の側面
１８ 凸部の側面と凸部の周囲のリードフレームの上面が交わる部分
２０ 半導体チップ
２２ 半導体チップの側面
２４ 半導体チップの上面
２６ 半導体チップのチップ面（下面）
３０ 接合材
３２ 固化していない接合材
１００ 半導体装置
１１０ 半導体装置
２００ 半導体装置

Claims (5)

  1. 凸部を有するリードフレームと、
    前記凸部上に設けられた半導体チップと、
    前記凸部と前記半導体チップの間に設けられ、前記凸部の上面及び側面に接し、前記リードフレームと前記半導体チップを接合している接合材と、
    を備える半導体装置。
  2. 前記半導体チップのチップ面の面積をＳ１、前記凸部の前記上面の面積をＳ２としたときに、０．７Ｓ１≦Ｓ２≦０．９Ｓ１である請求項１記載の半導体装置。
  3. 前記チップ面の形状と前記上面の形状は互いに相似である請求項２記載の半導体装置。
  4. 前記凸部の高さは２０μｍ以上３５μｍ以下である請求項１乃至請求項３いずれか一項記載の半導体装置。
  5. 前記凸部の側面と、前記凸部の周囲の前記リードフレームの上面がなす角は、９０度より大きい請求項１乃至請求項４のいずれか一項記載の半導体装置。

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