JP2023065215A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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electrode
semiconductor device
semiconductor chip
die pad
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伸次 酒井
Shinji Sakai
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Abstract

【課題】放熱性を向上し、放熱性のばらつきを低減することができる半導体装置及びその製造方法を得る。【解決手段】半導体チップ５の裏面電極６と導電性のダイパッド４が、Ａｇを５０－８５％含有するＡｇ接合材８により接合されている。端子２が半導体チップ５に接続されている。絶縁性の封止樹脂１がダイパッド４、半導体チップ５、Ａｇ接合材８、及び端子２の一部を覆う。端子２は封止樹脂１から突出して先端に基板接合面を有する。Ａｇ接合材８に接する裏面電極６の下面の外周部から金属バリ１６が突出している。Ａｇ接合材８の厚みは金属バリ１６の上下方向の高さよりも２μｍ以上大きい。【選択図】図２

Description

本開示は、半導体装置及びその製造方法に関する。
半導体チップの裏面電極とダイパッドの接合材として一般的にはんだが使用される。特にリフローで基板実装する場合は，鉛の含有量が多い高融点はんだが使用されていた（例えば、特許文献１参照）。しかし、基板リフロー対応又は高信頼性用途などの高融点はんだが求められる用途でも、環境影響を考慮しはんだ中の鉛の含有量が規制されるようになりつつある。環境影響を考慮してＡｇペーストを用いた焼結結合が適用されている。
特開２００５－１５０５９５号公報
しかし、熱収縮と溶剤の揮発によりＡｇ接合材にボイドが発生し易いという問題がある。半導体チップのダイシングにより、半導体チップの裏面電極の外周部から平面視で略環状の金属バリが突出する。この金属バリが、Ａｇペースト中に発生した溶剤の揮発分が外気に排出されるのを阻害することが判った。ボイドの発生により放熱性の低下とばらつきが生じるという問題があった。
本開示は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は放熱性を向上し、放熱性のばらつきを低減することができる半導体装置及びその製造方法を得るものである。
本開示に係る半導体装置は、導電性のダイパッドと、半導体チップと、前記半導体チップの裏面に設けられた裏面電極と、前記裏面電極と前記ダイパッドとを接合し、Ａｇを５０－８５％含有するＡｇ接合材と、前記半導体チップに接続された端子と、前記ダイパッド、前記半導体チップ、前記Ａｇ接合材、及び前記端子の一部を覆う絶縁性の封止樹脂とを備え、前記Ａｇ接合材に接する前記裏面電極の下面の外周部から金属バリが突出し、前記Ａｇ接合材の厚みは前記金属バリの上下方向の高さよりも２μｍ以上大きいことを特徴とする。
本開示では、Ａｇ接合材の厚みは金属バリの上下方向の高さよりも２μｍ以上大きい。これにより、Ａｇペーストを焼結した際に溶剤の揮発又は収縮により発生するボイドを放出する経路を確保することができる。このため、Ａｇ接合材中のボイドを低減することができる。従って、放熱性を向上し、放熱性のばらつきを低減することができる。
実施の形態１に係る半導体装置を示す上面図である。 図１のＩ－ＩＩに沿った断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の半導体チップを拡大した断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態１に係るパッケージが絶縁基板に面実装された状態を示す断面図である。 実施の形態２に係る半導体装置の半導体チップの実装部分を拡大した断面図である。 実施の形態２に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。
実施の形態に係る半導体装置及びその製造方法について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る半導体装置を示す上面図である。封止樹脂１は平面視で長方形である。封止樹脂１の対向する長辺からそれぞれ端子２，３が突出している。
図２は図１のＩ－ＩＩに沿った断面図である。端子２，３とダイパッド４は、銅等の金属で形成された導電性のリードフレームである。ダイパッド４と端子２は連結されている。端子２と端子３は電気的に分離されている。
半導体チップ５はＳｉ又はＳｉＣで形成されたパワーチップである。半導体チップ５の裏面に裏面電極６が設けられ、表面に表面電極７が設けられている。Ａｇ接合材８が半導体チップ５の裏面電極６とダイパッド４とを接合する。端子２はダイパッド４及びＡｇ接合材８を介して半導体チップ５に接続されている。
半導体チップ９は半導体チップ５の導通を制御する制御ＩＣである。半導体チップ９の裏面に裏面電極１０が設けられ、表面に表面電極１１が設けられている。Ａｇ接合材１２が半導体チップ９の裏面電極１０と端子３とを接合する。端子３はＡｇ接合材１２を介して半導体チップ９に接続されている。Ａｇ接合材８，１２はＡｇを５０－８５％含有する。
ワイヤ１３が半導体チップ５の表面電極７と半導体チップ９の表面電極１１を電気的に接続する。ワイヤ１３はＣｕ、Ａｌ、Ａｕ等の材質で形成されている。ダイパッド４の表面に半導体チップ５が接合され、裏面に絶縁層１４が接合されている。絶縁層１４の裏面に放熱板１５が接合されている。放熱板１５は例えば銅材で形成されている。
絶縁性の封止樹脂１が、ダイパッド４、半導体チップ５，９、Ａｇ接合材８，１２、ワイヤ１３及び端子２，３の一部を覆う。放熱板１５の裏面は封止樹脂１から露出しており、半導体チップ５の通電時の発熱を外部に放熱する。封止樹脂１の側面から突出した端子２，３は下方に屈折する。端子２，３の先端部は封止樹脂１より低い位置に調整され、封止樹脂１の裏面又は放熱板１５と平行な基板接合部を有する。基板接合面を有することでパッケージを基板に面実装できる。
図３は、実施の形態１に係る半導体装置の半導体チップを拡大した断面図である。裏面電極６は、半導体チップ５側から順に積層されたオーミック電極６ａ、接着層６ｂ及び酸化防止電極６ｃを有する。オーミック電極６ａは半導体チップ５にオーミック接合される。最表面の酸化防止電極６ｃがＡｇ接合材８に接する。裏面電極６の下面の外周部から平面視で略環状の金属バリ１６が下方に突出している。Ａｇ接合材８の厚みｔは金属バリ１６の上下方向の高さｈよりも２μｍ以上大きい。
続いて、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する。図４及び図５は、実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
まず、図４に示すように、ダイシングブレード１７を用いて半導体ウェハ１８をダイシングして個々の半導体チップ５に分割する。この際に裏面電極６が高温により変形して金属バリ１６となる。
次に、図５に示すように、導電性のダイパッド４の上にＡｇペースト１９を塗布する。裏面電極６を有する半導体チップ５をＡｇペースト１９の上に載せる。Ａｇペースト１９を２００℃で２時間程度加熱してダイパッド４と裏面電極６を焼結接合する。焼結後のＡｇペースト１９がＡｇ接合材８となる。ダイパッド４の上に塗布するＡｇペースト１９の厚みは、焼結後のＡｇ接合材８の厚みが金属バリ１６の上下方向の高さよりも２μｍ以上大きくなるように設定する。
焼結前のＡｇペースト１９の粘度は２０Ｐａ・Ｓ以上、望ましくは２５Ｐａ・Ｓ程度であることが好ましい。このように粘度の高いＡｇペースト１９を使用することで、少ない量でＡｇペースト１９を厚くすることができる。また、Ａｇペースト１９の供給量を削減することができる。これにより、Ａｇペースト１９の供給過多によるＡｇペースト１９の飛び散り、半導体チップ５の表面への回り込み、又はダイパッド４の裏面への回り込みを防ぎ、半導体チップ５の傾き等を回避することができる。なお、Ａｇペースト１９の厚み上限値は、パッケージ高さ、ダイパッド４の面積、ペースト粘度、半導体チップ５の傾き精度などで決まる。
なお、Ａｇペースト１９は溶剤を含むため焼結後のＡｇ含有率が８５％以下となるが、ペーストでないＡｇ接合材はＡｇ含有率が８５％より高くなる。ペーストでないＡｇ接合材を用いた場合にはボイドの課題が無いため、本開示の対象外である。
図６は、実施の形態１に係るパッケージが絶縁基板に面実装された状態を示す断面図である。絶縁基板２０は、絶縁材２１と、絶縁材２１の表面に設けられた金属配線２２とを有する。封止樹脂１から突出した端子２の基板接合面が、導電性の接合材２３により金属配線２２に接合されている。
Ａｇを５０－８５％含有するＡｇ接合材８の再溶融温度は９６０度である。一方、接合材２３は例えば鉛９５％半田であり、その溶融温度は３００度である。従って、接合材２３の溶融温度はＡｇ接合材８の再溶融温度よりも低い。
ダイパッド４と裏面電極６をＡｇ接合材８により接合し樹脂封止した後に、封止樹脂１から突出した端子２，３を接合材２３により金属配線２２に接合する。このリフロー時にパッケージ内のＡｇ接合材８も高温に曝される。そこで、リフローにより端子２，３を金属配線２２に接合する際の加熱温度をＡｇ接合材８の再溶融温度よりも低くする。これにより、Ａｇ接合材８の再溶融を防止することができる。Ａｇ接合材８が再溶融しないため、製品の信頼性を高く保つことができる。従って、面実装の半導体装置においてＡｇ接合材８を適用するメリットは大きい。
以上説明したように、本実施の形態では、Ａｇ接合材８の厚みは金属バリ１６の上下方向の高さよりも２μｍ以上大きい。これにより、Ａｇペースト１９を焼結した際に溶剤の揮発又は収縮により発生するボイドを放出する経路を確保することができる。このため、Ａｇ接合材８中のボイドを低減することができる。従って、放熱性を向上し、放熱性のばらつきを低減することができる。
Ａｇ接合材８の厚みが金属バリ１６の高さよりも２μｍ以上大きいとボイドが減少傾向となり、５μｍ以上大きいとボイドが大幅に減少するという結果が得られている。従って、Ａｇ接合材８の厚みが金属バリ１６の高さよりも５μｍ以上大きいことが好ましい。
金属バリ１６の高さは裏面電極６の厚みと比例する。Ａｌ－Ｓｉ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕを積層した裏面電極６を用いて実験した結果、以下のような裏面電極６の厚みと金属バリ１６の高さの関係が得られた。なお、Ａｌ－Ｓｉ層は、Ｓｉ／ＳｉＣ基板とのオーミック性が良い、即ち接触抵抗が低いオーミック電極６ａである。Ａｕ層は酸化防止電極６ｃであり、Ｔｉ層及びＮｉ層は接着層６ｂである。Ａｌ－Ｓｉ層の厚みは８００μｍで固定し、Ａｕ層、Ｔｉ層及びＮｉ層のトータル厚みを変更した。なお、下記データでは、裏面電極６の積層構造のうちオーミック電極６ａを除いた酸化防止電極６ｃと接着層６ｂの合計厚みを記載している。
Figure 2023065215000002
裏面電極６のトータル厚みを薄くすることで金属バリ１６の発生を抑制できることが分かった。オーミック電極６ａは１００μｍ以下とすることも可能であり、酸化防止電極６ｃの材質の選択次第では省略可能である。オーミック電極６ａを薄くした場合も、酸化防止電極６ｃと接着層６ｂの合計厚みを削減した場合と同様に、金属バリ１６を抑制できることを確認している。
また、裏面電極６の厚みを１６５０μｍ（サンプル１）以下とすることで、裏面電極６の下面全体に占めるボイドの占有面積を下げられることが分かった。従って、裏面電極６の厚みは１６５０μｍ以下とすることが望ましい。裏面電極６の厚みは１０００μｍ以下が更に望ましく、１００μｍ以下が最も望ましい。また、金属バリ１６の高さを小さくすることでＡｇ接合材８の厚みを薄くできるため、熱抵抗とコストを低減することもできる。
また、裏面電極６は、１層のオーミック電極６ａと、１層の酸化防止電極６ｃとの積層構造でもよい。Ｔｉ，Ｎｉ等の接着層６ｂが無いため、裏面電極６のトータル厚みを抑制することができる。例えば、オーミック電極６ａがＡｌ－Ｓｉ、酸化防止電極６ｃがＡｕの積層構造の場合、その合計厚みを１００μｍ以下とすることができる。
オーミック電極６ａは、Ｓｉ／ＳｉＣとオーミック接触可能なＡｌ－Ｓｉ以外の金属に変更してもよい。酸化防止電極６ｃは、酸化及び硫化対策が可能なＡｕ以外の金属、例えばＡｇに変更してもよい。また、Ａｇ接合材８に接する酸化防止電極６ｃはＡｇ層でもよい。これにより、裏面電極６とＡｇ接合材８との密着性及び導通性を向上させることができる。また、オーミック電極６ａはＡｇ合金層でもよい。これにより、半導体チップ５と裏面電極６との間のオーミック性を確保することができる。
裏面電極６の最表面の酸化防止電極６ｃがＡｕ層であれば、裏面電極６の酸化／硫化防止が可能であり、裏面電極６とダイパッド４の電気的及び機械的接合を安定的に確保することもできる。
裏面電極６は、半導体チップ５側からＡｇ合金－Ａｇ－Ａｕが積層された構造、又は、Ａｇ合金－Ａｕが積層された構造でもよい。これにより、材料点数が少なく、製造性が高く、コストを削減できる。また、裏面電極６の厚みを薄くして、金属バリ１６の高さを小さくしてボイドを低減することができる。また、Ａｇ合金はＳｉとオーミックコンタクトが得られるため、Ａｌ－Ｓｉ，Ｔｉ，Ｎｉ層を削減することができる。
実施の形態２．
図７は、実施の形態２に係る半導体装置の半導体チップの実装部分を拡大した断面図である。裏面電極６の端部は半導体チップ５の裏面の端部よりも内側に配置されている。図では矩形のパワーチップの２辺のみの端部を示しているが残りの２辺の端部でも同様に裏面電極６の端部は半導体チップ５の裏面の端部よりも内側に配置されている。裏面電極６には金属バリ１６が存在しない。その他の構成は実施の形態１と同様である。
図８は、実施の形態２に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。半導体ウェハ１８に裏面電極６を形成する際に、後に半導体チップ５の端部となる位置に裏面電極６を形成しないようにパターニングする。半導体ウェハ１８をダイシングして個々の半導体チップ５に分割する際に裏面電極６がダイシングされない。このため、裏面電極６に金属バリ１６が形成されない。従って、Ａｇペースト１９を焼結した際に溶剤の揮発又は収縮により発生するボイドを放出する経路を確保することができる。このため、Ａｇ接合材８中のボイドを低減することができる。従って、放熱性を向上し、放熱性のばらつきを低減することができる。また、金属バリ１６が存在しないことでＡｇ接合材８の厚みを小さくできるため、熱抵抗とコストを低減することもできる。
なお、半導体チップ５は、珪素によって形成されたものに限らず、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成されたものでもよい。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドである。このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成された半導体チップは、耐電圧性及び許容電流密度が高いため、小型化できる。この小型化された半導体チップを用いることで、この半導体チップを組み込んだ半導体装置も小型化・高集積化できる。また、半導体チップの耐熱性が高いため、ヒートシンクの放熱フィンを小型化でき、水冷部を空冷化できるので、半導体装置を更に小型化できる。また、半導体チップの電力損失が低く高効率であるため、半導体装置を高効率化できる。
１ 封止樹脂、２ 端子、４ ダイパッド、５ 半導体チップ、６ 裏面電極、６ａ オーミック電極、６ｃ 酸化防止電極、８ Ａｇ接合材、１６ 金属バリ、１９ Ａｇペースト、２１ 絶縁材、２０ 絶縁基板、２２ 金属配線、２３ 接合材

Claims (14)

  1. 導電性のダイパッドと、
    半導体チップと、
    前記半導体チップの裏面に設けられた裏面電極と、
    前記裏面電極と前記ダイパッドとを接合し、Ａｇを５０－８５％含有するＡｇ接合材と、
    前記半導体チップに接続された端子と、
    前記ダイパッド、前記半導体チップ、前記Ａｇ接合材、及び前記端子の一部を覆う絶縁性の封止樹脂とを備え、
    前記端子は前記封止樹脂から突出して先端に基板接合面を有し、
    前記Ａｇ接合材に接する前記裏面電極の下面の外周部から金属バリが突出し、
    前記Ａｇ接合材の厚みは前記金属バリの上下方向の高さよりも２μｍ以上大きいことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記Ａｇ接合材の厚みは前記金属バリの上下方向の高さよりも５μｍ以上大きいことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記金属バリを除いた前記裏面電極の厚みは１６５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
  4. 前記裏面電極は、前記半導体チップにオーミック接合されたオーミック電極と、前記Ａｇ接合材に接する酸化防止電極との積層構造であることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の半導体装置。
  5. 前記裏面電極は、１層の前記オーミック電極と１層の前記酸化防止電極のみからなることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
  6. 前記オーミック電極はＡｌ－Ｓｉ又はＡｇ合金で形成されていることを特徴とする請求項４又は５に記載の半導体装置。
  7. 前記酸化防止電極はＡｕで形成されていることを特徴とする請求項４～６の何れか１項に記載の半導体装置。
  8. 前記酸化防止電極はＡｇで形成されていることを特徴とする請求項４～６の何れか１項に記載の半導体装置。
  9. 導電性のダイパッドと、
    半導体チップと、
    前記半導体チップの裏面に設けられた裏面電極と、
    前記裏面電極と前記ダイパッドとを接合し、Ａｇを５０－８５％含有するＡｇ接合材と、
    前記半導体チップに接続された端子と、
    前記ダイパッドの一部、前記半導体チップ、及び前記Ａｇ接合材を覆う絶縁性の封止樹脂とを備え、
    前記端子は前記封止樹脂から突出して先端に基板接合面を有し、
    前記裏面電極の端部は前記半導体チップの裏面の端部よりも内側に配置されていることを特徴とする半導体装置。
  10. 絶縁材と、前記絶縁材の表面に設けられた金属配線とを有する絶縁基板を備え、
    前記端子の前記基板接合面は導電性の接合材により前記金属配線に接合され、
    前記接合材の溶融温度は前記Ａｇ接合材の再溶融温度よりも低いことを特徴とする請求項１～９の何れか１項に記載の半導体装置。
  11. 前記半導体チップはワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項１～１０の何れか１項に記載の半導体装置。
  12. 請求項１～８の何れか１項に記載の半導体装置を製造する方法であって、
    前記ダイパッドの上にＡｇペーストを塗布する工程と、
    前記半導体チップを前記Ａｇペーストの上に載せる工程と、
    前記Ａｇペーストを加熱して前記ダイパッドと前記半導体チップの前記裏面電極を焼結接合する工程とを備え、
    焼結後の前記Ａｇペーストが前記Ａｇ接合材であり、
    前記ダイパッドの上に塗布する前記Ａｇペーストの厚みは、焼結後の前記Ａｇ接合材の厚みが前記金属バリの上下方向の高さよりも２μｍ以上大きくなるように設定することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  13. 焼結前の前記Ａｇペーストの粘度は２０Ｐａ・Ｓ以上であることを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
  14. 請求項１０に記載の半導体装置を製造する方法であって、
    前記ダイパッドと前記裏面電極を前記Ａｇ接合材により接合した後に、前記端子の前記基板接合面を前記接合材により前記金属配線に接合する工程を備え、
    リフローにより前記端子を前記金属配線に接合する際の加熱温度は、前記Ａｇ接合材の再溶融温度よりも低いことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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