JP2023182178A

JP2023182178A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2023182178A
Application number: JP2022095644A
Authority: JP
Inventors: 稔幸小林; Toshiyuki Kobayashi
Original assignee: Hitachi Power Semiconductor Device Ltd
Current assignee: Hitachi Power Semiconductor Device Ltd
Priority date: 2022-06-14
Filing date: 2022-06-14
Publication date: 2023-12-26

Abstract

【課題】焼結接合により半導体チップを基板に実装する半導体装置において、特定の治具を用いることなく、焼結接合材のはみ出しによる這い上がり部の脱落を防止可能な信頼性の高い半導体装置を提供する。【解決手段】基板と、半導体チップと、前記基板と前記半導体チップとを接合する焼結金属層と、前記焼結金属層の側面に接触して形成された第１の樹脂層と、前記第１の樹脂層に接触して前記第１の樹脂層を覆う第２の樹脂層と、前記第２の樹脂層に接触して前記基板と前記半導体チップとを封止するゲル状の封止材と、を備えることを特徴とする。【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、半導体装置の構造に係り、特に、焼結接合により半導体チップを基板に実装する半導体装置に適用して有効な技術に関する。

近年、地球規模での環境や資源の問題がクローズアップされており、資源の有効活用、省エネルギー化の推進、地球温暖化ガスの排出抑制のため、パワー半導体素子のスイッチングを利用したインバータ装置を代表とする高効率な電力変換装置が注目されている。こうした電力変換装置は、冷蔵庫やエアコンなどの家電製品をはじめ、産業機械、ハイブリッド自動車（ＨｙｂｒｉｄＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ；ＨＥＶ）、電気自動車（ＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ；ＥＶ）、鉄道、電力および社会インフラ関連機器等に幅広く応用展開されている。

電力変換装置は、ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のパワー半導体素子を内蔵したパワー半導体装置（パワーモジュール）、バスバー、コンデンサ、インダクター、各種センサおよび制御回路等の数多くの部品から構成されている。設置面積の小スペース化や安全性のため、小型で信頼性の高い電力変換装置が求められている。これには、電力変換装置の主要構成部品であるパワー半導体装置の小型化および高信頼化が重要である。

パワー半導体装置に内蔵されるパワー半導体素子には、現在、主としてＳｉを材料とするＩＧＢＴやダイオード等が使用されている。パワー半導体装置は、上述した通り小型化および大容量化が進んでおり、これに伴い高温での安定動作が求められている。

また、パワー半導体素子には「高耐圧」、「低オン抵抗」および「高速スイッチング」特性も求められており、絶縁破壊電界強度がＳｉの１０倍、バンドギャップがＳｉの３倍の特性を有するＳｉＣが次世代パワー半導体素子として適用され始め、普及が期待されている。この次世代パワー半導体素子ではＳｉデバイスよりもさらに高温での素子の使用が可能となるため、パワー半導体装置には高温動作での高い信頼性が必要である。

このような技術課題に対し、種々の技術が研究開発されている。一例として、金属ナノ粒子を利用した接合技術がある。金属ナノ粒子は、粒子の体積エネルギーに比して表面エネルギーが大きいために化学的活性が高く、焼結温度が大幅に低下する一方で、焼結後には当該金属が本来有する高い耐熱性を示すことから、高温環境下の半導体装置の接合材として好適に利用できる。

しかしながら、金属ナノ粒子を使用した半導体装置の製造方法においては、加圧接合時に余分な金属微粒子を含むペーストの一部が、半導体素子の外側にはみ出して、各部の配線部等に付着してショートする場合がある。

このような問題を解決するために、例えば特許文献１のような技術がある。特許文献１では、半導体素子が緩挿可能な開口部と、この開口部の開口縁に開口部の開口断面積より大きい開口断面積を有する接合材逃がし部とを有する接合治具を用いて、金属粒子を含有した接合材で半導体素子と基板とを加圧接合することで、半導体素子からはみ出ている接合材の厚さを、半導体素子と基板とに狭持された部分の接合材の厚さより小さくしている。

特開２０１１－２１６７７２号公報

上記特許文献１の技術により、はみ出した接合材の収縮割れを抑制することはできるが、追加の治具や加圧する工程が必要となる。

また、特に、電鉄、ＥＶ、産業用途向けに使用される高耐熱パワーモジュールに搭載される大面積の半導体素子に適用される大面積の接合層の場合、使用するペースト量が増えるため、半導体素子からはみ出したペーストが半導体素子側面に這い上がる場合が多くなる。このため、焼結後の這い上がり部の脱落を防止する技術が必要である。

そこで、本発明の目的は、焼結接合により半導体チップを基板に実装する半導体装置において、特定の治具を用いることなく、焼結接合材のはみ出しによる這い上がり部の脱落を防止可能な信頼性の高い半導体装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、基板と、半導体チップと、前記基板と前記半導体チップとを接合する焼結金属層と、前記焼結金属層の側面に接触して形成された第１の樹脂層と、前記第１の樹脂層に接触して前記第１の樹脂層を覆う第２の樹脂層と、前記第２の樹脂層に接触して前記基板と前記半導体チップとを封止するゲル状の封止材と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、焼結接合により半導体チップを基板に実装する半導体装置において、特定の治具を用いることなく、焼結接合材のはみ出しによる這い上がり部の脱落を防止可能な信頼性の高い半導体装置を実現することができる。

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。

本発明の実施例１に係る半導体装置の断面構造を示す図である。図１ＡのＡ部拡大図である。図１ＢのＢ－Ｂ’方向矢視図（平面図）である。図１Ｃの変形例を示す図である。本発明の実施例２に係る半導体装置の断面構造を示す図である。図２ＡのＣ部拡大図である。図２ＢのＤ－Ｄ’方向矢視図（平面図）である。本発明の実施例３に係る半導体装置の断面構造を示す図である。図３ＡのＥ部拡大図である。図３ＢのＦ－Ｆ’方向矢視図（平面図）である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。

図１Ａから図１Ｄを参照して、本発明の実施例１に係る半導体装置について説明する。図１Ａは、本実施例の半導体装置１００Ａの断面構造を示す図である。図１Ｂは、図１ＡのＡ部拡大図である。図１Ｃは、図１ＢのＢ－Ｂ’方向矢視図（平面図）である。図１Ｄは、図１Ｃの変形例を示す図である。

本実施例の半導体装置１００Ａは、図１Ａに示すように、主要な構成として、絶縁回路基板１と、ＩＧＢＴ等のパワー半導体チップ（以下、単に「半導体チップ」と称する。）２と、絶縁回路基板１および半導体チップ２を封止するゲル状の封止材であるシリコーンゲル８とを備えている。

絶縁回路基板１および半導体チップ２は、樹脂ケース７内に収容されており、樹脂ケース７の内部にシリコーンゲル８が充填され、樹脂ケース蓋９で密閉されることで封止されている。

なお、本実施例では、半導体チップ２として、ＳｉまたはＳｉＣを用いた半導体チップを想定しているが、これらに限定されない。

絶縁回路基板１は、絶縁基板１Ａを有しており、絶縁基板１Ａの一方の面に回路電極１Ｂが、もう一方の面に裏面電極１Ｃが、それぞれろう材（図示せず）等を介して接合されている。

裏面電極１Ｃは、はんだや焼結金属層等の接合材３によって放熱ベース６に接合されている。回路電極１Ｂには、焼結金属層１０によって半導体チップ２が接合されている。

放熱ベース６および絶縁回路基板１は、半導体チップ２で発生した熱を効率良く逃がす必要がある。このため、放熱ベース６には、アルミニウム（Ａｌ）やアルミニウムと炭化ケイ素の複合材料（Ａｌ－ＳｉＣ）等が使用されている。また、絶縁回路基板１の絶縁基板１Ａには、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等が使用され、回路電極１Ｂには、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）等が使用されている。

回路電極１Ｂの半導体チップ２が搭載されていない部分には、主端子５が接合されており、半導体チップ２と主端子５とが、回路電極１Ｂもしくは回路電極１Ｂおよび金属ワイヤ４を介して電気的に接続される。

主端子５は、半導体装置１００Ａの内外に電力を伝達するための板状の金属端子であり、回路電極１Ｂと接合されていない方の端部が樹脂ケース７の外側で図示しない外部機器と接続されており、半導体装置１００Ａの入出力端子となる。この他、図示しないが、半導体装置１００Ａは、制御端子および補助端子等も有する。

上述した構成を有する半導体装置１００Ａは、以下の手順で作製される。

半導体チップ２は、例えばＩＧＢＴ等のスイッチング動作可能な素子やダイオードであり、焼結銅や焼結銀などの焼結金属層１０を介して絶縁回路基板１の回路電極１Ｂに接合する。

そして、半導体チップ２の回路電極１Ｂに接合されていないもう一方の面にある電極と、絶縁回路基板１の回路電極１Ｂのうち半導体チップ２が接合されていない回路電極１Ｂとの間を金属ワイヤ４で接続する。また、必要に応じて、複数の半導体チップ２のそれぞれの回路電極１Ｂに接合されていない面にある電極同士を金属ワイヤ４で接続する。

次に、半導体チップ２が搭載された絶縁回路基板１を、放熱ベース６に、はんだや焼結金属等の接合材３を介して接合する。

その後、放熱ベース６の外周部に、樹脂ケース７を接着剤等（図示せず）を介して取付け、主端子５を回路電極１Ｂの表面に接合する。

最後に、樹脂ケース７の内部にシリコーンゲル８を注入して硬化させ、樹脂ケース７に樹脂ケース蓋９を被せて半導体装置１００Ａが完成する。

ここで、本実施例の半導体装置１００Ａは、図１Ｂに示すように、焼結金属層１０の側面に接触して形成された第１の樹脂層１２と、第１の樹脂層１２に接触して第１の樹脂層１２を覆うように形成された第２の樹脂層１３とを備えている。

上述したように、半導体チップ２の面積増加に伴い、絶縁回路基板１の回路電極１Ｂと半導体チップ２とを接合する焼結金属層１０を形成する工程で使用するペースト量が増えるため、半導体チップ２と回路電極１Ｂとの間からはみ出したペーストがチップ側面に這い上がり、焼結はみ出し部１１が形成され易くなる。つまり、焼結金属層１０は、絶縁回路基板１の回路電極１Ｂと半導体チップ２との間、および半導体チップ２の側面に形成される。この焼結はみ出し部１１が脱落した場合、他の配線部等に付着してショートする可能性がある。

そこで、本実施例の半導体装置１００Ａでは、焼結はみ出し部１１を含む焼結金属層１０の側面に、第１の樹脂層１２を形成し、さらに第１の樹脂層１２を覆うように第２の樹脂層１３を形成することで、焼結はみ出し部１１の脱落を防止している。

第１の樹脂層１２に用いる樹脂材料としては、ポリアミドイミド樹脂やポリエーテルアミドイミド樹脂等が挙げられる。

また、第２の樹脂層１３に用いる樹脂材料としては、エポキシ樹脂等が挙げられる。

第１の樹脂層１２および第２の樹脂層１３の形成は、半導体チップ２を焼結金属層１０により回路電極１Ｂに接合した後に行う。

焼結はみ出し部１１を含む焼結金属層１０の側面に、ポリアミドイミド樹脂等からなる第１の樹脂層１２を形成し、次いで、エポキシ樹脂等からなる第２の樹脂層１３を形成する。

その後、絶縁回路基板１を放熱ベース６に接合し、樹脂ケース７を接着後、シリコーンゲル８で封止し、樹脂ケース蓋９を樹脂ケース７に接着する。

なお、図１Ｃに示すように、第１の樹脂層１２および第２の樹脂層１３は、半導体チップ２を平面視した際に、半導体チップ２すなわち焼結金属層１０の側面全体に渡って形成するのが望ましい。半導体チップ２の側面全体を第１の樹脂層１２および第２の樹脂層１３で覆うことで、半導体チップ２の全周に渡って焼結はみ出し部１１の脱落を確実に防止することができる。

一方、半導体チップ２の面積と焼結金属層１０を形成するためのペースト量との関係によっては、必ずしも焼結はみ出し部１１が半導体チップ２の全周に渡って形成されるとは限らない。例えば、焼結金属層１０を形成した後の３Ｄ計測結果から、半導体チップ２を平面視した際の半導体チップ２の四隅を除く各辺（４辺）の中央付近に焼結はみ出し部１１が集中して形成される場合がある。

このような条件の半導体装置１００Ａでは、図１Ｄに示すように、第１の樹脂層１２および第２の樹脂層１３を、半導体チップ２の四隅を除く各辺（４辺）の中央付近を覆うように形成すれば良い。

以上説明したように、本実施例の半導体装置１００Ａは、焼結はみ出し部１１を含む焼結金属層１０の側面に、第１の樹脂層１２と第２の樹脂層１３を備えている。

これにより、半導体チップ２の側面に這い上がった焼結材が、例えばワイヤボンディングや絶縁回路基板への接合などの焼結後の工程において脱落し、意図しない箇所に付着することで短絡不良となるリスクを抑えることができる。

図２Ａから図２Ｃを参照して、本発明の実施例２に係る半導体装置について説明する。図２Ａは、本実施例の半導体装置１００Ｂの断面構造を示す図である。図２Ｂは、図２ＡのＣ部拡大図である。図２Ｃは、図２ＢのＤ－Ｄ’方向矢視図（平面図）である。

本実施例の半導体装置１００Ｂは、焼結はみ出し部１１を含む焼結金属層１０の側面に、第１の樹脂層１２および第２の樹脂層１３を形成するのに加えて、半導体チップ２の外周部を除く上面に、第３の樹脂層１４を形成している点において、実施例１（図１Ａ及び図１Ｂ）と異なっている。その他の構成は、実施例１と同様である。

なお、第１の樹脂層１２と第３の樹脂層１４は、後述するように、同一の工程で同時に形成される。したがって、第１の樹脂層１２と第３の樹脂層１４は、例えばポリアミドイミド樹脂やポリエーテルアミドイミド樹脂等の同じ樹脂材料からなる。

図２Ｂ及び図２Ｃから分かるように、第３の樹脂層１４は、半導体チップ２を平面視した際、半導体チップ２の外周部を除く上面を覆うように形成されている。

この第３の樹脂層１４は、半導体チップ２と金属ワイヤ４との接続部を覆うように形成され、半導体チップ２と金属ワイヤ４との接続部を補強する。

本実施例の半導体装置１００Ｂの作製工程では、複数の半導体チップ２間や半導体チップ２と半導体チップ２が接合されていない回路電極１Ｂとの間を金属ワイヤ４で接続した後、半導体チップ２の外周部を除く上面と、焼結はみ出し部１１を含む焼結金属層１０の側面に、ポリアミドイミド樹脂やポリエーテルアミドイミド樹脂をそれぞれ塗布し、第１の樹脂層１２と第３の樹脂層１４とを同時に形成する。

次いで、エポキシ樹脂等からなる第２の樹脂層１３を形成する。

本実施例では、第１の樹脂層１２と第３の樹脂層１４とを同時に形成することで、工程を複雑化することなく半導体装置１００Ｂを作製できる。

図３Ａから図３Ｃを参照して、本発明の実施例３に係る半導体装置について説明する。図３Ａは、本実施例の半導体装置１００Ｃの断面構造を示す図である。図３Ｂは、図３ＡのＥ部拡大図である。図３Ｃは、図３ＢのＦ－Ｆ’方向矢視図（平面図）である。

本実施例の半導体装置１００Ｃは、焼結はみ出し部１１を含む焼結金属層１０の側面に、第１の樹脂層１２および第２の樹脂層１３を形成するのに加えて、半導体チップ２の上面全体に、第３の樹脂層１４を形成している点において、実施例１（図１Ａ及び図１Ｂ）と異なっている。その他の構成は、実施例１と同様である。

本実施例の半導体装置１００Ｃの作製工程では、複数の半導体チップ２間や半導体チップ２と半導体チップ２が接合されていない回路電極１Ｂとの間を金属ワイヤ４で接続した後、半導体チップ２の上面全体と、焼結はみ出し部１１を含む焼結金属層１０の側面に、ポリアミドイミド樹脂やポリエーテルアミドイミド樹脂を塗布し、第１の樹脂層１２と第３の樹脂層１４とを同時に一体で形成する。

本実施例では、第１の樹脂層１２と第３の樹脂層１４とを同時に一体で形成することで、工程を複雑化することなく、焼結はみ出し部１１を確実に被覆可能な半導体装置１００Ｃを作製できる。

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。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に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が可能であり、また、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・置換をすることが可能である。

１…絶縁回路基板、１Ａ…絶縁基板、１Ｂ…回路電極、１Ｃ…裏面電極、２…パワー半導体チップ（半導体チップ）、３…接合材、４…金属ワイヤ、５…主端子、６…放熱ベース、７…樹脂ケース、８…シリコーンゲル、９…樹脂ケース蓋、１０…焼結金属層、１１…焼結はみ出し部、１２…第１の樹脂層、１３…第２の樹脂層、１４…第３の樹脂層、１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ…半導体装置。

Claims

基板と、
半導体チップと、
前記基板と前記半導体チップとを接合する焼結金属層と、
前記焼結金属層の側面に接触して形成された第１の樹脂層と、
前記第１の樹脂層に接触して前記第１の樹脂層を覆う第２の樹脂層と、
前記第２の樹脂層に接触して前記基板と前記半導体チップとを封止するゲル状の封止材と、を備えることを特徴とする半導体装置。
請求項１に記載の半導体装置であって、
前記第１の樹脂層は、ポリアミドイミド樹脂またはポリエーテルアミドイミド樹脂であることを特徴とする半導体装置。
請求項１に記載の半導体装置であって、
前記第２の樹脂層は、エポキシ樹脂であることを特徴とする半導体装置。
請求項１に記載の半導体装置であって、
前記封止材は、シリコーンゲルであることを特徴とする半導体装置。
請求項１に記載の半導体装置であって、
前記第１の樹脂層および前記第２の樹脂層は、前記半導体チップを平面視した際、前記焼結金属層の側面全体に形成されることを特徴とする半導体装置。
請求項１に記載の半導体装置であって、
前記第１の樹脂層および前記第２の樹脂層は、前記半導体チップを平面視した際、前記半導体チップの四隅を除く各辺の中央付近を覆うように形成されることを特徴とする半導体装置。
請求項１に記載の半導体装置であって、
前記半導体チップを平面視した際、前記半導体チップの外周部を除く上面を覆うように形成された第３の樹脂層を備えることを特徴とする半導体装置。
請求項７に記載の半導体装置であって、
前記半導体チップに接続された金属ワイヤを備え、
前記第３の樹脂層は、前記半導体チップと前記金属ワイヤとの接続部を覆うように形成されることを特徴とする半導体装置。
請求項１に記載の半導体装置であって、
前記半導体チップを平面視した際、前記半導体チップの上面全体を覆うように形成された第３の樹脂層を備えることを特徴とする半導体装置。
請求項１に記載の半導体装置であって、
前記焼結金属層は、前記基板と前記半導体チップとの間、および前記半導体チップの側面に形成されることを特徴とする半導体装置。