JP2021072301A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device.
電気自動車や鉄道車両、発電システム等の電力の変換や制御を担う装置として、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やMOSFET(Metal−Oxide−Semiconductor Field−Effect Transistor)等を用いた半導体装置が使用されている。半導体装置の動作時には半導体チップが自己発熱により高温になるので、熱負荷に対する信頼性確保が課題となる。この要求に応えるべく、放熱性を向上するための技術や、部材の熱膨張係数の違いに起因する接合材のクラックの発生防止するための技術として、例えば特許文献1−2に記載の技術が知られている。 Semiconductor devices using IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effective Transistors), etc. are used as devices responsible for power conversion and control of electric vehicles, railway vehicles, power generation systems, etc. There is. Since the semiconductor chip becomes hot due to self-heating during operation of the semiconductor device, ensuring reliability against a heat load becomes an issue. In order to meet this demand, for example, the technique described in Patent Document 1-2 is used as a technique for improving heat dissipation and a technique for preventing the occurrence of cracks in the bonding material due to the difference in the coefficient of thermal expansion of the members. Are known.
これまで、半導体装置に繰返しの熱負荷が作用することで接合材に発生するクラックの主な要因は、被接合材部材の熱変形量の違いによって生じる接合材のせん断変形に起因するものがほとんどだった。 Until now, most of the main causes of cracks generated in the bonding material due to the repeated heat load acting on the semiconductor device are due to the shear deformation of the bonding material caused by the difference in the amount of thermal deformation of the member to be bonded. was.
しかしながら、近年、半導体装置の接合材において、前述のクラック(以下では横クラックと呼称する。)とは全く別の、縦クラックと呼ばれる現象が確認されている。横クラックは、せん断応力に起因するため、接合材の端部で発生するが、一方、縦クラックは、接合材のうち、温度の高い中央部近傍で発生する。縦クラックは、はんだの粒界ボイド生成に伴う劣化と考えられており、横クラックとは現象が全く異なるため、新規の対策が必要である。そこで、本願の発明者は、実験により半導体装置の高温部分で発生する縦クラックは温度と応力により粒界ボイドの生成が加速されることを発見し、縦クラックの発生防止には、高温部分での応力低減が有効であることを見出した。 However, in recent years, a phenomenon called vertical crack has been confirmed in a bonding material of a semiconductor device, which is completely different from the above-mentioned crack (hereinafter referred to as horizontal crack). Lateral cracks occur at the ends of the joint material because they are caused by shear stress, while vertical cracks occur near the central part of the joint material where the temperature is high. Vertical cracks are considered to be deterioration due to the formation of grain boundary voids in the solder, and the phenomenon is completely different from that of horizontal cracks, so new measures are required. Therefore, the inventor of the present application has discovered through experiments that the formation of grain boundary voids is accelerated by the temperature and stress of the vertical cracks generated in the high temperature portion of the semiconductor device. It was found that the stress reduction of is effective.
本発明は、上記課題を鑑み、半導体装置の接合層に発生する縦クラックを抑制可能な半導体装置を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of suppressing vertical cracks generated in the bonding layer of the semiconductor device.
上記課題を解決するための本発明の半導体装置の一態様は、半導体チップと、基板と、ベースとがこの順で積層され、基板は、半導体チップ側の表面に設けられた第1金属層と、ベース側の表面に設けられた第2金属層と、第1金属層と第2金属層の間に設けられた絶縁層とを有し、基板は、少なくとも1つの半導体チップが配置される半導体チップ配置領域を有し、半導体チップと第1金属層との間に、チップ接合層と、チップ接合層よりも線膨張係数が小さい第3金属層を有し、半導体チップおよび第1金属層のうちの少なくとも一方と第3金属層との間にチップ接合層が介在し、かつ、第3金属層の周辺に、半導体チップと第1金属層との間にチップ接合層が介在しなくなる柱部が存在せず、半導体装置の平面および断面を見た時に、第3金属層の少なくとも1つの外周が半導体チップ配置領域の外周よりも内側に収まるように設けられていることを特徴とする。 In one aspect of the semiconductor device of the present invention for solving the above problems, a semiconductor chip, a substrate, and a base are laminated in this order, and the substrate is formed with a first metal layer provided on the surface of the semiconductor chip. A semiconductor having a second metal layer provided on the surface on the base side and an insulating layer provided between the first metal layer and the second metal layer, and a substrate on which at least one semiconductor chip is arranged. It has a chip arrangement region, and has a chip bonding layer and a third metal layer having a linear expansion coefficient smaller than that of the chip bonding layer between the semiconductor chip and the first metal layer. A pillar portion in which a chip bonding layer is interposed between at least one of them and the third metal layer, and the chip bonding layer is not interposed between the semiconductor chip and the first metal layer around the third metal layer. Is not present, and when the plane and cross section of the semiconductor device are viewed, at least one outer periphery of the third metal layer is provided so as to be contained inside the outer periphery of the semiconductor chip arrangement region.
また、上記課題を解決するための本発明の半導体装置の他の一態様は、半導体チップと、基板と、ベースとがこの順で積層され、基板は、半導体チップ側の表面に設けられた第1金属層と、ベース側の表面に設けられた第2金属層と、第1金属層と第2金属層の間に設けられた絶縁層とを有し、基板は、少なくとも1つの半導体チップが配置される半導体チップ配置領域を有し、半導体チップと第1金属層との間に、チップ接合層と、チップ接合層よりも線膨張係数が小さい第3金属層を有し、半導体チップおよび第1金属層のうちの少なくとも一方と第3金属層との間にチップ接合層が介在し、かつ、第3金属層の周辺に、半導体チップと第1金属層との間にチップ接合層が介在しなくなる柱部が存在せず、半導体装置の平面および断面を見た時に、第3金属層の少なくとも1つの外周が半導体チップ配置領域の外周よりも内側に収まるように設けられていることを特徴とする。 Further, in another aspect of the semiconductor device of the present invention for solving the above problems, the semiconductor chip, the substrate, and the base are laminated in this order, and the substrate is provided on the surface on the semiconductor chip side. It has one metal layer, a second metal layer provided on the surface on the base side, and an insulating layer provided between the first metal layer and the second metal layer, and the substrate has at least one semiconductor chip. It has a semiconductor chip arrangement region to be arranged, and has a chip bonding layer and a third metal layer having a linear expansion coefficient smaller than that of the chip bonding layer between the semiconductor chip and the first metal layer, and is a semiconductor chip and a first metal layer. A chip bonding layer is interposed between at least one of the 1 metal layers and the third metal layer, and a chip bonding layer is interposed between the semiconductor chip and the first metal layer around the third metal layer. It is characterized in that there is no pillar portion that does not disappear, and at least one outer periphery of the third metal layer is provided so as to fit inside the outer periphery of the semiconductor chip arrangement region when the plane and cross section of the semiconductor device are viewed. And.
本発明のより具体的な構成は、特許請求の範囲に記載される。 More specific configurations of the present invention are described in the claims.
本発明によれば、半導体装置の接合層に発生する縦クラックを抑制可能な半導体装置を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device capable of suppressing vertical cracks generated in the bonding layer of the semiconductor device.
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。 Issues, configurations and effects other than those described above will be clarified by the description of the following embodiments.
以下、図面を適宜参照しながら、本発明の実施に好適な形態を説明する。ただし、本発明はここで取り上げた実施形態に限定されることはなく、要旨を変更しない範囲で適宜組合せや改良が可能である。 Hereinafter, embodiments suitable for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate. However, the present invention is not limited to the embodiments taken up here, and can be appropriately combined and improved without changing the gist.
<第1実施形態>
図1は本発明の半導体装置の第1実施形態の構造を示す断面模式図である。半導体装置100は、半導体チップ1と、基板11と、ベース7とが互いに接合された積層構造を有する。図1では、1つのベース7に基板11が1つ設けられている態様を示しているが、1つのベース7に搭載される基板11の個数に制限は無く、複数個搭載される場合もある。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the first embodiment of the semiconductor device of the present invention. The
半導体チップ1は、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やMOSFET(Metal−Oxide−Semiconductor Field−Effect Transistor)等のパワートランジスタあるいはダイオードであり、より具体的には、例えばSi、SiC、GaNが用いられる。
The
基板11は、第1金属層3、第2金属層4および絶縁層5を有する。第1金属層3は、基板11の半導体チップ1側の表面に設けられており、第2金属層4は、基板11のベース7側の表面に設けられている。言い換えると、第1金属層3の表面に半導体チップ1がチップ接合層2を介して接合されており、第2金属層4の表面にベース接合層6が接合されている。絶縁層5は、第1金属層3と第2金属層4との間に設けられている。
The
第1金属層3および第2金属層4の材質は、電気伝導性熱伝導性の良い金属材料が好ましい。具体的には、Cu、Cu合金、AlおよびAl合金等が望ましい。絶縁層5は、絶縁性と熱伝導性の高い材料が望ましく、例えば窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化ケイ素等のセラミックスが用いられる。
As the material of the
ベース7は、剛性、熱伝導性の高いものが望ましい。具体的には、Cu、Cu合金、Al、Al合金、AlSiCおよびMgSiC等が用いられる。
It is desirable that the
半導体チップ1と基板11(第1金属層3)との間には、チップ接合層2を有し、基板11(第2金属層4)とベース7との間には、ベース接合層6を有する。チップ接合層2およびベース接合層6には、例えば、PbまたはSnを主成分とするはんだ等、熱伝導性の高いものが好ましい。チップ接合層2には、拡散接合材、Cuナノ粒子やAgナノ粒子の焼結接合材等が用いられる場合もある。
A
第1金属層3は、電気回路の一部となっており、配線12を用いて、半導体チップ1や、外部との電気的接続のための端子10と接続される。
The
半導体チップ1、基板11、チップ接合層2およびベース接合層6はケース9に収容され、封止材13によって封止されている。ケース9には絶縁性の高い材料、例えば樹脂等が用いられる。封止材13は、絶縁性の高い、例えば樹脂やシリコーンゲル等が用いられる。
The
図2は本発明の半導体装置の上面図(第1の例)である。図2は半導体チップ1a,1b,1c,1d、第1金属層3および絶縁層5の概略上面図を図示している。半導体チップ1は、上述したように、1つの基板11に複数個搭載される場合がある。基板11のうち、半導体チップ1を搭載できる面積が限られるため、一般に、複数の半導体チップ1同士は互いに隣接して配置され、半導体チップ配置領域14を形成する。半導体チップ配置領域14は、1つまたは複数の半導体チップ1(図2では、1a,1b,1c,1d)が配置される領域である。半導体チップ配置領域14は、半導体チップ1が1つの場合はその半導体チップ1に重なる領域であり、複数の半導体チップ1が互いに隣接して配置されている場合は、半導体チップ1に重なる領域と、互いに隣接して配置された半導体チップ1同士の間の領域も含む。尚、ここでいう互いに隣接は、斜め方向の隣接も含む。例えば、図2においては、互い隣接する半導体チップ1aと半導体チップ1bとの間、半導体チップ1aと半導体チップ1cとの間、半導体チップ1bと半導体チップ1dとの間、半導体チップ1cと半導体チップ1dとの間、半導体チップ1aと半導体チップ1dとの間および半導体チップ1bと半導体チップ1cとの間を含む。この半導体チップ配置領域14は、半導体装置100において温度が特に高くなる部分である。
FIG. 2 is a top view (first example) of the semiconductor device of the present invention. FIG. 2 is a schematic top view of the semiconductor chips 1a, 1b, 1c, 1d, the
図3は本発明の半導体装置の上面図(第2の例)である。図3は図2と同様に半導体チップ1、第1金属層3、絶縁層5の概略上面図を図示しており、図2と異なる配置例を示すものである。図3では基板11を複数含んでいる。図3に示すように、半導体チップ配置領域14は、互いに異なる基板11に配置された半導体チップ1同士が互いに隣接する場合もある。図2および図3に示した半導体チップ配置領域14は、半導体装置100において特に高温となる領域であり、その形は半導体装置100のレイアウトによって異なる。
FIG. 3 is a top view (second example) of the semiconductor device of the present invention. FIG. 3 shows a schematic top view of the
図4は図1の一部を示す図である。図4に示すように、本発明の半導体装置は、第2金属層4とベース7との間に、第3金属層8が配置される。第3金属層8は、半導体装置100の平面および断面を見た時に、半導体チップ配置領域14の外周よりも内側に位置するように配置される。第3金属層8の形状に特に制約は無く、例えば多角柱、多角錐、円柱、円錐、あるいは部分的に凹部等を有する多角柱や円柱等でも良く、網目状やポーラス状、反りや凹凸を含む形状でも構わない。
FIG. 4 is a diagram showing a part of FIG. As shown in FIG. 4, in the semiconductor device of the present invention, the
第3金属層8の母材の線膨張係数は、ベース接合層6の線膨張係数よりも低いことが好ましい。例えば、Cu、Al、Fe、NiおよびW等の金属や、これらの金属合金、あるいは、例えばCIC(Copper Inavar Copper)クラッド材のような異種材料の複合材でも構わない。さらに、第3金属層8は、はんだと良好に接合する目的等のために例えばメッキされていても構わない。本実施形態では、第2金属層4とベース7とのうち少なくとも一方と第3金属層8との間にベース接合層6が介在し、第3金属層8の膜厚は、ベース接合層6の膜厚よりも小さいことが好ましい。第3金属層8の膜厚がベース接合層6の膜厚以上になると、後述する高温部分の応力低減効果を十分に得られない恐れがある。なお、後述する第5実施形態のように、第3金属層8の膜厚がベース接合層6よりも大きくなる場合もある。
The coefficient of linear expansion of the base metal of the
図5は従来の半導体装置の断面模式図である。図5は、第3金属層8を持たない従来構造において、半導体チップ1の発熱時にベース接合層6に作用する面内方向の応力の向きを図示している。半導体チップ1は、動作時に自己発熱し、その熱は主にベース7側に向かって熱伝導するため、各部材はそれぞれ熱膨張する。ベース接合層6は、例えば、はんだの場合、線膨張係数は約25〜29ppm/Kであるのに対して、絶縁層5は、材質が例えばセラミックスの場合、約2〜8ppmである。第1金属層3および第2金属層4は、材質が例えばCu、Cu合金、Al、Al合金の場合、線膨張係数は約16〜23ppm/Kである。したがって、基板11全体としての線膨張係数は、各層の厚さの組合せによって異なるが、第1金属層3、第2金属層4、絶縁層5の中間の約10〜20ppm/Kになる。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a conventional semiconductor device. FIG. 5 illustrates the direction of in-plane stress acting on the
一方、ベース7は、例えばCu、Cu合金、Al、Al合金、AlSiC、MgSiC等であり、線膨張係数は約7〜23ppmである。このように、ベース接合層6の線膨張係数は、基板11、ベース7の線膨張係数よりも相対的に大きい。半導体チップ1の発熱に伴う温度上昇時、ベース接合層6は熱膨張しようとするが、上記のように相対的に線膨張係数の低い部材に上下面を接合されているため、変形が拘束され、ベース接合層6の面内方向には、図5の矢印で示す向きの圧縮応力が作用する。ベース接合層6のうち、半導体チップ配置領域14の直下では、半導体チップ1からの熱伝導により高温となり、かつ上記の圧縮応力が作用するため、はんだの粒界ボイド生成が加速され、縦クラックの要因となる。
On the other hand, the
図6は図4に熱変形量の大きさを記載した図である。図6では、本実施形態において半導体チップ1が発熱した際の、ベース接合層6の、厚さ方向の相対的な熱変形量の大きさを示す模式図である。第3金属層8は、ベース接合層6よりも線膨張係数が小さいので、半導体装置100の断面を見た時に、ベース接合層6と第3金属層8とが重なる領域Aにおける、ベース接合層6と第3金属層8の厚さ方向への熱膨張量は、領域A以外のベース接合層6の熱膨張量よりも小さい。したがって、ベース接合層6の領域Aは、領域A以外から厚さ方向に引っ張られる。よって、領域Aには引張応力が作用する。領域Aにおける平均垂直応力としては、図5で示した圧縮応力が、厚さ方向の引張応力分低減されるため、第3金属層8を設けない場合と比較して、減少する。
FIG. 6 is a diagram showing the magnitude of the amount of thermal deformation in FIG. FIG. 6 is a schematic view showing the magnitude of the relative amount of thermal deformation of the
次に、本発明の半導体装置の熱応力低減効果について、従来の半導体装置の構造と比較しながら説明する。図7は比較例1の半導体装置の一部を示す断面模式図である。比較例1の半導体装置は、図6に示した本発明の第1実施形態の構造と異なり、第3金属層8を持たない。
Next, the thermal stress reducing effect of the semiconductor device of the present invention will be described in comparison with the structure of the conventional semiconductor device. FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a part of the semiconductor device of Comparative Example 1. The semiconductor device of Comparative Example 1 does not have the
図8は比較例2の半導体装置の一部を示す断面模式図である。図6に示した本発明の第1実施形態の構造と異なり、比較例2の構造は、第2金属層4とベース7との間に、第3金属層8だけでなく、柱部15を有する。柱部15は、ベース接合層6を貫通するものであり、例えばCu、Cu合金、AlおよびAl合金等の、熱伝導性の高い金属材料であり、ベース接合層6よりも線膨張係数が小さい材料で構成される。柱部15は、第2金属層4およびベース7に接するか、あるいはそれらと一体となっている。柱部15を有することで、ベース接合層6の厚さを均一化しやすくなるため、ベース接合層6の端部が極端に薄くなることを抑制できる。よって、基板11とベース7の熱変形差に起因するせん断応力によりベース接合層6の端部から発生する、いわゆる横クラックを軽減できる効果がある。これは、上述した特許文献1に記載されている構成と同様のものである。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing a part of the semiconductor device of Comparative Example 2. Unlike the structure of the first embodiment of the present invention shown in FIG. 6, the structure of Comparative Example 2 has not only the
図9は比較例3の半導体装置の一部の断面模式図である。図9は図6に示した本発明の第1実施形態の構造と異なり、半導体装置の断面を見た時に、第3金属層8が半導体チップ配置領域14の外周よりも外側に位置する。第3金属層8の材質として、ベース接合層6よりも熱伝導率の高いものを用いることで、熱拡散を促進し、放熱性能を向上させる効果はある。これは、上述した特許文献2に記載されている構成と同様のものである。
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a part of the semiconductor device of Comparative Example 3. 9 is different from the structure of the first embodiment of the present invention shown in FIG. 6, and when the cross section of the semiconductor device is viewed, the
図10は本発明の第1実施形態の半導体装置と比較例1の半導体装置のベース接合層6における平均垂直応力分布を比較して示す模式図である。第3金属層8を持たない比較例1においては、図5に矢印で示した圧縮応力が支配的な応力となる。半導体チップ1の発熱時、半導体チップ配置領域14の中心に近い領域ほど高温になるので、図5に示した圧縮応力も、半導体チップ配置領域14の中心に近い領域ほど高い、やや山なりの分布となる。半導体チップ配置領域14の中心に近い領域ほど、高温で、縦クラックが懸念されるが、本発明では、その領域での応力を低減でき、縦クラック抑制の効果を得られる。
FIG. 10 is a schematic view showing a comparison of the average normal stress distribution in the
図11は比較例2の半導体装置と比較例1の半導体装置の平均垂直応力分布を比較して示す模式図である。比較例2が有する柱部(第2金属層4とベース7との間にベース接合層6が介在しなくなる部分)15は、ベース接合層6よりも線膨張係数が小さいため、柱部15の厚さ方向の熱膨張量は、図6で示した領域Aの厚さ方向の熱膨張量よりも小さい。そのため、柱部15は、領域Aを厚さ方向に引張らず、逆に圧縮してしまう。よって、縦クラック抑制の十分な効果を得られない。
FIG. 11 is a schematic diagram showing a comparison of the average normal stress distributions of the semiconductor device of Comparative Example 2 and the semiconductor device of Comparative Example 1. Since the column portion (the portion where the
図12は比較例3の半導体装置と比較例1の半導体装置のベース接合層における平均垂直応力分布を比較して示す模式図である。比較例3では、第3金属層8の外形が半導体チップ配置領域14の外形の外側に位置するため、縦クラックが懸念される半導体チップ配置領域14の中心に近い領域において、十分な応力低減効果を得られず、その結果、縦クラック抑制の効果を得られない。
FIG. 12 is a schematic diagram showing a comparison of the average normal stress distribution in the base bonding layer of the semiconductor device of Comparative Example 3 and the semiconductor device of Comparative Example 1. In Comparative Example 3, since the outer shape of the
本発明は、チップ接合層2およびベース接合層6がSnを主成分とするはんだである場合に特に効果を発揮する。Pbを主成分とするはんだと比較して疲労強度が高く、横クラックよりも縦クラックが接合寿命を律速しやすいSnを主成分とするはんだにおいて、縦クラックの発生を防止できることが本発明の大きな効果の1つである。
The present invention is particularly effective when the
<第2実施形態>
図13は本発明の半導体装置の第2実施形態の構造を示す断面模式図である。第2実施形態では、第3金属層8と第2金属層4とが一体となっている。第3金属層8の端部にテーパ等があっても構わない。第2実施形態によれば、第1実施形態と同様の効果を得られる他、組立性が向上する。
<Second Embodiment>
FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the second embodiment of the semiconductor device of the present invention. In the second embodiment, the
<第3実施形態>
図14は本発明の半導体装置の第3実施形態の構造を示す断面模式図である。第3実施形態では、第3金属層8とベース7とが一体となっている。第3金属層8の端部にテーパ等があっても構わない。第3実施形態によれば、第1実施形態と同様の効果を得られる他、組立性が向上する。
<Third Embodiment>
FIG. 14 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the third embodiment of the semiconductor device of the present invention. In the third embodiment, the
<第4実施形態>
図15は本発明の半導体装置の第4実施形態の構造を示す断面模式図である。第4実施形態は、ベース7と一体化された凸部16を有する。凸部16は、第3金属層8を囲むように配置される。第4実施形態によれば、第1実施形態と同様の効果を得られる他、組立時、リフロー等でベース接合層6を溶融させて接合する場合に、第3金属層8の位置がずれることを防止する効果がある。
<Fourth Embodiment>
FIG. 15 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the fourth embodiment of the semiconductor device of the present invention. The fourth embodiment has a
<第5実施形態>
図16は本発明の半導体装置の第5実施形態の構造を示す断面模式図である。第5実施形態は、ベース7のうち、ベース接合層6と接合される面に、凹部17を有する。半導体装置を平面から見た時に、凹部17の外形は、半導体チップ配置領域14の外周の内側に位置する。第3金属層8は、凹部17の内側に配置される。本実施形態では、第3金属層の膜厚がベース接合層の膜厚以上となる場合があるが、第2金属層4と第3金属層8との間にはベース接合層6が存在する。
<Fifth Embodiment>
FIG. 16 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the fifth embodiment of the semiconductor device of the present invention. The fifth embodiment has a
第5実施形態によれば、第1実施形態と同様の効果を得られる他、組立時、リフロー等でベース接合層6を溶融させて接合する場合に、第3金属層8の位置がずれることを防止する効果がある。
According to the fifth embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained, and the position of the
<第6実施形態>
図17は本発明の半導体装置の第6実施形態の構造を示す断面模式図である。第6実施形態は、ベース7のうち、ベース接合層6と接合される面に、凹部17を有する。半導体装置を平面から見た時に、凹部17の外形は、半導体チップ配置領域14の外周の内側に位置する。本実施形態は、突起18を有し、突起18は、第3金属層8のうち、ベース7に相対する面に一体化されている。突起18は凹部17の内側に配置される。
<Sixth Embodiment>
FIG. 17 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the sixth embodiment of the semiconductor device of the present invention. The sixth embodiment has a
第6実施形態によれば、第1実施形態と同様の効果を得られる他、組立時、リフロー等でベース接合層6を溶融させて接合する場合に、第3金属層8の位置がずれることを防止する効果がある。
According to the sixth embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained, and the position of the
<第7実施形態>
図18は本発明の半導体装置の第7実施形態の構造を示す断面模式図である。第7実施形態は、半導体チップ1と第1金属層3の間に第3金属層8を有する。第7実施形態によれば、チップ接合層2において第1実施形態と同様の効果を得られ、チップ接合層2における縦クラックを抑制する効果がある。
<7th Embodiment>
FIG. 18 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the seventh embodiment of the semiconductor device of the present invention. The seventh embodiment has a
<第8実施形態>
図19は本発明の半導体装置の第8実施形態の構造を示す断面模式図である。第8実施形態は、第1実施形態と第7実施形態を合わせた構成を有している、すなわち、チップ接合層2およびベース接合層6の両方に第3金属層8を有する。このような構成を有することにより、チップ接合層2およびベース接合層6の両方において、縦クラックの発生を防止することができる。
<8th Embodiment>
FIG. 19 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the eighth embodiment of the semiconductor device of the present invention. The eighth embodiment has a configuration in which the first embodiment and the seventh embodiment are combined, that is, both the
<第9実施形態>
図18において、第3金属層8と半導体チップ1とが一体となっていてもよい。第3金属層8の端部にテーパ等があっても構わない。第9実施形態によれば、第7実施形態と同様の効果を得られる他、組立性が向上する。
<9th embodiment>
In FIG. 18, the
<第10実施形態>
図18において、第3金属層8と第1金属層3とが一体となっていてもよい。第3金属層8の端部にテーパ等があっても構わない。第10実施形態によれば、第7実施形態と同様の効果を得られる他、組立性が向上する。
<10th Embodiment>
In FIG. 18, the
以上、説明したように、本発明によれば、半導体装置の接合層に発生する縦クラックを抑制可能な半導体装置を提供できることが示された。 As described above, according to the present invention, it has been shown that a semiconductor device capable of suppressing vertical cracks generated in the bonding layer of the semiconductor device can be provided.
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記した実施例は本発明を分かりやすく説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。 The present invention is not limited to the above-described examples, and includes various modifications. The above-described embodiment describes the present invention in an easy-to-understand manner, and is not necessarily limited to the one having all the configurations described. It is also possible to replace a part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment, and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. It is also possible to add / delete / replace a part of the configuration of each embodiment with another configuration.
1,1a,1b,1c,1d…半導体チップ、2…チップ接合層、3…第1金属層、4…第2金属層、5…絶縁層、6…ベース接合層、7…ベース、8…第3金属層、9…ケース、10…端子、11…基板、12…配線、13…封止材、14…半導体チップ配置領域、15…柱部、16…凸部、17…凹部、18…突起、100…半導体装置。 1,1a, 1b, 1c, 1d ... Semiconductor chip, 2 ... Chip bonding layer, 3 ... First metal layer, 4 ... Second metal layer, 5 ... Insulation layer, 6 ... Base bonding layer, 7 ... Base, 8 ... Third metal layer, 9 ... case, 10 ... terminal, 11 ... substrate, 12 ... wiring, 13 ... encapsulant, 14 ... semiconductor chip arrangement area, 15 ... pillar, 16 ... convex, 17 ... concave, 18 ... Protrusion, 100 ... Semiconductor device.
Claims (12)
前記基板は、前記半導体チップ側の表面に設けられた第1金属層と、前記ベース側の表面に設けられた第2金属層と、前記第1金属層と前記第2金属層の間に設けられた絶縁層とを有し、
前記基板は、少なくとも1つの前記半導体チップが配置される半導体チップ配置領域を有し、
前記ベースと前記第2金属層との間に、ベース接合層と、前記ベース接合層よりも線膨張係数が小さい第3金属層を有し、前記第2金属層および前記ベースのうちの少なくとも一方と前記第3金属層との間に前記ベース接合層が介在し、かつ、前記第3金属層の周辺に、前記第2金属層と前記ベースとの間に前記ベース接合層が介在しなくなる柱部が存在せず、
半導体装置の平面および断面を見た時に、前記第3金属層の少なくとも1つの外周が前記半導体チップ配置領域の外周よりも内側に収まるように設けられていることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor chip, the substrate, and the base are laminated in this order,
The substrate is provided between the first metal layer provided on the surface on the semiconductor chip side, the second metal layer provided on the surface on the base side, and between the first metal layer and the second metal layer. With an insulating layer
The substrate has a semiconductor chip arrangement region in which at least one of the semiconductor chips is arranged.
Between the base and the second metal layer, there is a base bonding layer and a third metal layer having a linear expansion coefficient smaller than that of the base bonding layer, and at least one of the second metal layer and the base. A column in which the base bonding layer is interposed between the third metal layer and the third metal layer, and the base bonding layer is not interposed between the second metal layer and the base around the third metal layer. There is no part,
A semiconductor device characterized in that at least one outer circumference of the third metal layer is provided so as to be contained inside the outer circumference of the semiconductor chip arrangement region when the plane and the cross section of the semiconductor device are viewed.
前記基板は、前記半導体チップ側の表面に設けられた第1金属層と、前記ベース側の表面に設けられた第2金属層と、前記第1金属層と前記第2金属層の間に設けられた絶縁層とを有し、
前記基板は、少なくとも1つの前記半導体チップが配置される半導体チップ配置領域を有し、
前記半導体チップと前記第1金属層との間に、チップ接合層と、前記チップ接合層よりも線膨張係数が小さい第3金属層を有し、前記半導体チップおよび前記第1金属層のうちの少なくとも一方と前記第3金属層との間に前記チップ接合層が介在し、かつ、前記第3金属層の周辺に、前記半導体チップと前記第1金属層との間に前記チップ接合層が介在しなくなる柱部が存在せず、
半導体装置の平面および断面を見た時に、前記第3金属層の少なくとも1つの外周が前記半導体チップ配置領域の外周よりも内側に収まるように設けられていることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor chip, the substrate, and the base are laminated in this order,
The substrate is provided between the first metal layer provided on the surface on the semiconductor chip side, the second metal layer provided on the surface on the base side, and between the first metal layer and the second metal layer. With an insulating layer
The substrate has a semiconductor chip arrangement region in which at least one of the semiconductor chips is arranged.
A chip bonding layer and a third metal layer having a linear expansion coefficient smaller than that of the chip bonding layer are provided between the semiconductor chip and the first metal layer, and among the semiconductor chip and the first metal layer. The chip bonding layer is interposed between at least one of them and the third metal layer, and the chip bonding layer is interposed between the semiconductor chip and the first metal layer around the third metal layer. There is no pillar part that disappears,
A semiconductor device characterized in that at least one outer circumference of the third metal layer is provided so as to be contained inside the outer circumference of the semiconductor chip arrangement region when the plane and the cross section of the semiconductor device are viewed.
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Citations (4)
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JP2011054732A (en) * | 2009-09-01 | 2011-03-17 | Toyota Motor Corp | Semiconductor module |
JP2013149695A (en) * | 2012-01-18 | 2013-08-01 | Kobe Steel Ltd | Thermal conduction member and semiconductor device having the same |
JP2013219194A (en) * | 2012-04-09 | 2013-10-24 | Sansha Electric Mfg Co Ltd | Semiconductor device |
JP2017126648A (en) * | 2016-01-13 | 2017-07-20 | 三菱電機株式会社 | Electronic module |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011054732A (en) * | 2009-09-01 | 2011-03-17 | Toyota Motor Corp | Semiconductor module |
JP2013149695A (en) * | 2012-01-18 | 2013-08-01 | Kobe Steel Ltd | Thermal conduction member and semiconductor device having the same |
JP2013219194A (en) * | 2012-04-09 | 2013-10-24 | Sansha Electric Mfg Co Ltd | Semiconductor device |
JP2017126648A (en) * | 2016-01-13 | 2017-07-20 | 三菱電機株式会社 | Electronic module |
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