JP6304085B2 - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。

パワー半導体装置の高密度化及び炭化ケイ素系半導体の実用化により、高温環境でも高い信頼性を持つ樹脂封止型のパワー半導体装置の開発が進められている。その中で、従来のパワー半導体装置に用いられた半導体チップのワイヤボンディングに代わって、ピン接続のパッケージが開発された。ピン接続のパッケージは、高温信頼性及び樹脂封止時の変形に対する信頼性が高く、且つ、立体的な配線が可能な点で優れている。

ピン接続のパッケージでは、特に半導体チップの小型化とピン配線位置の固定化に伴い、高精度のチップ位置決めが必要とされる。

特許文献１には、基板に、周囲が溝によって囲まれ、且つ、半導体チップの搭載面積とほぼ同等の大きさのチップ搭載面を設け、チップ搭載面上に液体状態で表面張力を発現するハンダを配置し、ハンダ上に半導体チップを配置した後、ハンダを溶融させその表面張力を利用して半導体チップの位置決めを行い、チップ搭載面に半導体チップを固定することが開示されている。

また、特許文献２には、半導体装置の組み立ての際に、電極部とフレームの先端部とをハンダ接続させる際の熱で溶解したハンダが、表面張力と濡れ上がり現象とによってフレームの先端部を電極部の中央に位置させて保つセルフアライメントを実現することが記載されている。

また、特許文献３には、電気的な接続を目的としないハンダ接続部を利用して電子部品の発する熱を基板に伝導させる構造において、そのハンダを接続するための電子部品の金属層又は基板の金属層の形状が、部品中心或いはそれを含む軸に対して対象に３つ以上の部分に分割され、なお且つそれぞれの部分の、部品の中心から遠い部分が丸みを帯びている構造及びこれを用いた電子回路装置が開示されている。このような構成により、ハンダの表面張力によるセルフアライメント効果を大きくすることができ、初期の部品搭載位置が多少ずれていても、電子部品を正常な位置に搭載することができることが記載されている。

特開２００８−１８２０３８号公報 特開２０１０−２１２７２９号公報 特開２００２−１７６１２７号公報

樹脂封止型パワー半導体装置においては、半導体チップの実装位置の高精度化による良品率の向上及び実装の容易化が求められている。また、樹脂封止後のチップ下ハンダのクラック抑制による長期信頼性向上や、チップ周辺樹脂剥離に起因する電気・機械的故障の防止も求められている。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、半導体チップの実装位置を高精度化し、チップ下ハンダのクラックを抑制できる半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の半導体装置は、絶縁層及び電極を備えた絶縁基板と、前記絶縁基板の前記電極の表面に超音波接合又は固相拡散接合されたブロック状電極と、前記ブロック状電極の表面に液体の状態で表面張力を発現する接着部材を介して接着された半導体チップと、前記半導体チップに一端部が接合された接続ピンと、前記接続ピンの他端部に接合された配線基板と、前記絶縁基板、前記ブロック状電極、前記半導体チップ、前記接続ピン及び前記配線基板を封止する封止樹脂と、を具備し、前記半導体チップ及び前記ブロック状電極の接合部分に前記接着部材からなる第１のフィレットが形成され、且つ、前記ブロック状電極及び前記絶縁基板の前記電極との前記超音波接合又は前記固相拡散接合による接合端に前記接着部材からなる第２のフィレットが形成されていることを特徴とする。

この構成により、チップ実装時に液体の状態の接着部材の表面張力及び重力を利用して、半導体チップの実装位置を高精度で位置決めできると共に、応力集中が絶縁基板の電極及びブロック状電極の接合端に発生することになり、チップ破損及びチップ下ハンダのクラックを抑制できる。

本発明の半導体装置において、前記ブロック状電極は、前記半導体チップとほぼ同じ平面形状でわずかに大きいことが好ましい。

本発明の半導体装置において、前記接着部材がハンダであることが好ましい。

本発明の半導体装置において、前記半導体チップは、前記接着部材が液体の状態であるときの表面張力を利用して前記ブロック状電極の表面上で位置決めしたことが好ましい。

本発明の半導体装置において、前記ブロック状電極の表面にニッケルメッキ又は錫メッキが施されていることが好ましい。

本発明の半導体装置において、前記半導体装置がパワー半導体装置であることが好ましい。

本発明の半導体装置の製造方法は、絶縁層及び電極を備えた絶縁基板の前記電極の表面にブロック状電極を接合する工程と、前記ブロック状電極の表面に液体の状態で表面張力を発現する接着部材を介して半導体チップを接着する工程と、前記半導体チップと配線基板との間を接続ピンで接続する工程と、前記絶縁基板、前記ブロック状電極、前記半導体チップ、前記接続ピン及び前記配線基板を封止樹脂で封止して半導体装置を得る工程と、を具備し、前記半導体チップを前記ブロック状電極に接着する工程において、前記半導体チップ及び前記ブロック状電極の接合部分に前記接着部材からなる第１のフィレットを形成すると共に、前記ブロック状電極及び前記絶縁基板の前記電極の接合部分に、前記半導体チップを前記ブロック状電極に接着する際に生じる余剰な前記接着部材からなる第２のフィレットを形成することを特徴とする。

この構成により、チップ実装時に液体の状態の接着部材の表面張力及び重力を利用して、半導体チップの実装位置を高精度で位置決めできると共に、応力集中が絶縁基板の電極及びブロック状電極の接合端に発生することになり、チップ破損及びチップ下ハンダのクラックを抑制できる。

本発明の半導体装置の製造方法において、前記ブロック状電極は、前記半導体チップとほぼ同じ平面形状でわずかに大きいことが好ましい。

本発明の半導体装置の製造方法において、前記接着部材がハンダであることが好ましい。

本発明の半導体装置の製造方法において、前記第２のフィレットが、前記ブロック電極の側面部と前記電極の表面にわたって形成されることが好ましい。

本発明の半導体装置の製造方法において、前記半導体チップは、前記接着部材が液体の状態であるときの表面張力を利用して前記ブロック状電極の表面上で位置決めし、その後前記接着部材を凝固させることで前記ブロック状電極の表面に接着することが好ましい。

本発明の半導体装置の製造方法において、前記ブロック状電極の表面にニッケルメッキ又は錫メッキが施されていることが好ましい。

本発明の半導体装置の製造方法において、前記ブロック状電極を超音波接合により前記絶縁基板の前記電極と接合することが好ましい。

本発明の半導体装置の製造方法において、前記ブロック状電極を固層拡散接合により前記絶縁基板の前記電極と接合することが好ましい。

本発明の半導体装置の製造方法において、前記半導体装置がパワー半導体装置であることが好ましい。

本発明によれば、チップ実装時に液体の状態の接着部材の表面張力及び重力を利用して、半導体チップの実装位置を高精度で位置決めできると共に、応力集中が絶縁基板の電極及びブロック状電極の接合端に発生することになり、チップ破損及びチップ下ハンダのクラックを抑制できる。

本実施の形態に係るパワー半導体装置を示す模式図である。 本実施の形態に係るパワー半導体装置の要部を示す断面概略図である。 本実施の形態に係るパワー半導体装置における半導体チップを示す平面図及び側面図である。 本実施の形態に係るパワー半導体装置におけるブロック状電極を示す平面図及び側面図である。 本実施の形態に係るパワー半導体装置におけるブロック状電極の他の例を示す平面図及び側面図である。 本実施の形態に係るパワー半導体装置の製造方法の各工程を示す模式図である。 従来のパワー半導体装置の製造方法における半導体チップの位置決め工程を示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。

（半導体装置の概要）
図１は、本実施の形態に係るパワー半導体装置を示す模式図である。図２は、本実施の形態に係るパワー半導体装置の要部を示す断面概略図である。図１及び図２に示すように、本実施の形態に係るパワー半導体装置１０は、絶縁層１１及び一対の電極１２を備えた絶縁基板１３を具備する。一対の電極１２は、絶縁層１１を挟んで配置されている。

絶縁基板１３の一方の電極１２の表面にはチップ実装部としてのブロック状電極１４が超音波接合により接合されている。ブロック状電極１４は、後述の半導体チップ１６とほぼ同じ平面形状でわずかに大きいことが好ましい。ブロック状電極１４の材質は、例えば、無酸素銅、高純度アルミである。ブロック状電極１４及び電極１２の接合には超音波接合の他に、固層拡散接合等が用いられても良い。他の接合手段を用いても良いが、接合工程に温度上昇による液化を必要としないものが、チップの接合プロセスを容易にできるため好ましい。

ブロック状電極１４の表面に、液体の状態で表面張力を発現する接着部材としてのハンダ１５を介して、半導体チップ１６が接着されている。ここで、接着部材としては、ハンダの他に、液体の状態で表面張力を発現するものであれば特に限定されず、導電性接着剤等を用いることができる。なお、半導体チップ１６のブロック状電極１４とは反対側の表面上の一部は保護膜１７で覆われている。

半導体チップ１６は、接続部材としての複数の接続ピン１８を介して、配線基板１９に接続されている。接続ピン１８の一端部は、半導体チップ１６の表面の保護膜１７により覆われていない部分に対してほぼ垂直に当接し、半導体チップ１６の表面と接続ピン１８の一端部とはハンダ２０で接着されている。

また、絶縁基板１３の一方の電極１２の表面上には、外部電極２１、２２が立設されている。

絶縁基板１３、ブロック状電極１４、半導体チップ１６、接続ピン１８及び配線基板１９は、封止樹脂２３で封止されている。この際、外部電極２１、２２の絶縁基板１３と反対側の端部は、封止樹脂２３の外部に突出する。

（フィレット）
上述のパワー半導体装置１０において、図２に示すように、半導体チップ１６の下面縁部とブロック状電極１４の表面とにわたって弧を描いてハンダ１５からなる第１フィレット２４が形成されている。さらに、ブロック状電極１４の側面部と電極１２の表面とにわたって弧を描いて余剰なハンダ１５からなる第２フィレット２５が形成されている。

（ブロック状電極）
ブロック状電極１４は、上述の通り、半導体チップ１６とほぼ同じ平面形状でわずかに大きいことが、第１フィレットを均一に形成し、応力集中を抑制し易くするため、好ましい。

図３は、本実施の形態に係るパワー半導体装置における半導体チップを示す平面図及び側面図である。図４は、本実施の形態に係るパワー半導体装置におけるブロック状電極を示す平面図及び側面図である。図３に示すように、半導体チップ１６の横幅をｄ、奥行幅をｅ、厚みをｔとした場合、図４に示すように、ブロック状電極１４の横幅Ｄをｄ＋２ｔ以上とし、奥行幅Ｅをｅ＋２ｔ以上とすることが好ましい。また、ブロック状電極１４の角部の曲率Ｒをｔ以下とすることが好ましい。また、ブロック状電極１４の厚みＴをｔ以上であることが好ましく、２ｔ以上であることがより好ましい。

図５は、本実施の形態に係るパワー半導体装置におけるブロック状電極の他の例を示す平面図及び側面図である。ブロック状電極１４の厚み方向の断面形状は、比較的自由に選択することができ、図５Ａ〜図５Ｃに示すように、台形状（図５Ａ）、鼓状（図５Ｂ）、打ち抜き形状（図５Ｃ）等であり得る。ブロック状電極１４は、半導体チップ１６の発熱を絶縁基板１３に逃がすヒートスプレッタとしての機能を併せ持つことから、上面の面積よりも下面の面積が広いことが望ましいが、これに限定されるものではない。

ブロック状電極１４には、ニッケルメッキ又は錫メッキを施すことが好ましい。

（パワー半導体装置の製造方法）
次に、本実施の形態に係るパワー半導体装置１０の製造方法について説明する。図６は、本実施の形態に係るパワー半導体装置の製造方法の各工程を示す模式図である。まず、絶縁基板１３の電極１２の表面上にブロック状電極１４を配置し、型枠又は機械治具を用いて、ブロック状電極１４の位置決めを行う。次に、図６Ａに示すように、超音波圧接機６１により、電極１２及びブロック状電極１４を超音波接合する。

図６Ｂに示すように、ブロック状電極１４の表面上にシート状ハンダ６２を載置し、その上に半導体チップ１６を設置する。この際、シート状ハンダ６２は、接着後に半導体チップ１６とブロック状電極１４の間を接着に用いたハンダの所定の厚みで充填するのに十分な体積を有するようにする。次に、この状態の絶縁基板１３、ブロック状電極１４、シート状ハンダ６２及び半導体チップ１６を、減圧リフロー炉に投入し、所定の温度及びガス条件で昇温及び減圧し、ハンダを溶融状態にする。これにより、ハンダの表面張力及び重力によるセルフアライメントによって、半導体チップ１６がブロック状電極１４の中央に保持される。ハンダの十分な溶融が確認された後、減圧リフロー炉内の温度を下げ、ハンダ１５を凝固させる。

このハンダの溶融・凝固の工程において、図６Ｃに示すように、半導体チップ１６の下面縁部とブロック状電極１４の表面とにわたって弧を描いてハンダ１５からなる第１フィレット２４が形成される。さらに、ブロック状電極１４の側面部と電極１２の表面とにわたって弧を描いて余剰なハンダ１５からなる第２フィレット２５が形成される。

この後、半導体チップ１６の表面上に、マスクあるいはディスペンサーを用いてペースト状のハンダ２０を塗布し、配線基板１９の表面上に立設する複数の接続ピン１８の一端部をハンダ２０で接着する。その後、絶縁基板１３、ブロック状電極１４、半導体チップ１６、接続ピン１８及び配線基板１９を封止樹脂２３で封止し、パワー半導体装置１０を得る。

以上説明したような構成により、本実施の形態に係るパワー半導体装置１０においては、ブロック状電極１４の表面にシート状ハンダ６２を配置し、その上に半導体チップ１６を設置して、シート状ハンダ６２を溶融させることにより、液体の状態のハンダの表面張力及び自重を利用して、半導体チップ１６を高精度で位置決めすることができる。

すなわち、従来のようにブロック状電極１４を用いない場合、図７Ａに示すように、絶縁基板１３の電極１２の上にシート状ハンダ７１を配置し、その上に半導体チップ１６を設置し、カーボン治具７２を用いて位置合わせを行うが、半導体チップ１６の薄厚化に伴い、位置合わせの精度が低下し、いわゆるチップずれが発生しやすくなる。このような状態で、例えば、図７Ｂに示すように、２つの隣接する半導体チップ１６ａ、１６ｂにおいて、一方の半導体チップ１６ａが、本来の実装位置（図中一点破線で示す）から他方の半導体チップ１６ｂ側にずれてしまうと、２つの半導体チップ１６ａ、１６ｂの間がハンダ７３で連結されてしまう、ハンダ連結が起こることがあり、パワー半導体装置の良品率が低下する。一方、本実施の形態のようにブロック状電極１４を用いた場合、上述のようなハンダプロセス時のチップずれを無くすことができ、複数の半導体チップ１６間でのハンダ連結を抑止でき、パワー半導体装置１０の良品率を向上することができる。

また、本実施の形態によれば、厚さｔ以下の高精度で半導体チップ１６を所定の位置に実装することができるので、高度且つ高価な画像認識技術を用いた自動ワイヤボンディング装置等を用いなくとも、設計通りに半導体チップ１６の位置を把握でき、高精度の半導体チップ１６の位置決めが要求される接続ピン１８を用いた半導体チップ１６及び配線基板１９間の接続も行うことが可能となり、ピン接続のパッケージにおける実装を容易化できる。

また、絶縁基板の電極の表面上に半導体チップを設置した場合、電極より半導体チップが凸状に突出した構造となるため、樹脂封止後の絶縁基板の電極、封止樹脂及び半導体チップの線膨張係数差による熱変形時に発生する応力に対し、従来のようにブロック状電極１４を用いない場合、半導体チップ下のハンダによる接着部に応力が集中することになる。このため、チップ破損及びチップ下ハンダのクラックが発生しやすい。本実施の形態によれば、応力集中は、絶縁基板１３の電極１２及びブロック状電極１４の接合端に発生することになり、チップ破損及びチップ下ハンダのクラックを抑制できる。

本実施の形態においては、ブロック状電極１４をニッケルメッキ又は錫メッキすることができるので、絶縁基板１３の電極１２にメッキを施す必要がなくなるので、電極１２と封止樹脂２３との接着性が強まり、樹脂剥離を防止することができる。

本実施の形態の構成は、一般的な半導体装置に適用することができるが、特にパワー半導体装置に好適である。すなわち、高温環境でも高い信頼性を持つ樹脂封止型のパワー半導体装置を得るためには、高温信頼性及び樹脂封止時の変形に対する信頼性が高く、且つ、立体的な配線が可能なピン接続を用いることが望ましいが、ピン接続では、チップの小型化（厚薄化）とピン配線位置の固定化に伴う、半導体チップの実装位置の高精度化が求められるからである。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、本発明はこれに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明は、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

本発明は、例えば、パワー半導体装置に好適に使用することができる。

１０ パワー半導体装置
１１ 絶縁層
１２ 電極
１３ 絶縁基板
１４ ブロック状電極
１５、２０ ハンダ
１６、１６ａ、１６ｂ 半導体チップ
１７ 保護膜
１８ 接続ピン
１９ 配線基板
２１、２２ 外部電極
２３ 封止樹脂
２４ 第１フィレット
２５ 第２フィレット

Claims (15)

1. 絶縁層及び電極を備えた絶縁基板と、
   前記絶縁基板の前記電極の表面に超音波接合又は固相拡散接合されたブロック状電極と、
   前記ブロック状電極の表面に液体の状態で表面張力を発現する接着部材を介して接着された半導体チップと、
   前記半導体チップに一端部が接合された接続ピンと、
   前記接続ピンの他端部に接合された配線基板と、
   前記絶縁基板、前記ブロック状電極、前記半導体チップ、前記接続ピン及び前記配線基板を封止する封止樹脂と、
   を具備し、
   前記半導体チップ及び前記ブロック状電極の接合部分に前記接着部材からなる第１のフィレットが形成され、且つ、
   前記ブロック状電極及び前記絶縁基板の前記電極との前記超音波接合又は前記固相拡散接合による接合端に前記接着部材からなる第２のフィレットが形成されている
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 前記ブロック状電極は、前記半導体チップとほぼ同じ平面形状でわずかに大きいことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記接着部材がハンダであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の半導体装置。
4. 前記半導体チップは、前記接着部材が液体の状態であるときの表面張力を利用して前記ブロック状電極の表面上で位置決めしたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体装置。
5. 前記ブロック状電極の表面にニッケルメッキ又は錫メッキが施されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の半導体装置。
6. 前記半導体装置がパワー半導体装置であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の半導体装置。
7. 絶縁層及び電極を備えた絶縁基板の前記電極の表面にブロック状電極を接合する工程と、
   前記ブロック状電極の表面に液体の状態で表面張力を発現する接着部材を介して半導体チップを接着する工程と、
   前記半導体チップと配線基板との間を接続ピンで接続する工程と、
   前記絶縁基板、前記ブロック状電極、前記半導体チップ、前記接続ピン及び前記配線基板を封止樹脂で封止して半導体装置を得る工程と、
   を具備し、
   前記半導体チップを前記ブロック状電極に接着する工程において、前記半導体チップ及び前記ブロック状電極の接合部分に前記接着部材からなる第１のフィレットを形成すると共に、前記ブロック状電極及び前記絶縁基板の前記電極の接合部分に、前記半導体チップを前記ブロック状電極に接着する際に生じる余剰な前記接着部材からなる第２のフィレットを形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
8. 前記ブロック状電極は、前記半導体チップとほぼ同じ平面形状でわずかに大きいことを特徴とする請求項７記載の半導体装置の製造方法。
9. 前記接着部材がハンダであることを特徴とする請求項７又は請求項８記載の半導体装置の製造方法。
10. 前記第２のフィレットが、前記ブロック電極の側面部と前記電極の表面にわたって形成されることを特徴とする請求項７から請求項９のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
11. 前記半導体チップは、前記接着部材が液体の状態であるときの表面張力を利用して前記ブロック状電極の表面上で位置決めし、その後前記接着部材を凝固させることで前記ブロック状電極の表面に接着することを特徴とする請求項７から請求項１０のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
12. 前記ブロック状電極の表面にニッケルメッキ又は錫メッキが施されていることを特徴とする請求項７から請求項１１のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
13. 前記ブロック状電極を超音波接合により前記絶縁基板の前記電極と接合することを特徴とする請求項７から請求項１２のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
14. 前記ブロック状電極を固層拡散接合により前記絶縁基板の前記電極と接合することを特徴とする請求項７から請求項１２のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
15. 前記半導体装置がパワー半導体装置であることを特徴とする請求項７から請求項１４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。

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