JP6424669B2 - 半導体デバイス - Google Patents

Description

本発明は、半導体デバイスに関する。

特許文献１には、半導体デバイス内部の配線パターンに発生するウィスカによって、ストレスを検知する方法が開示されている。具体的には、Ｓｉ基板上に形成したＡｌ配線がストレスによるマイグレーションにより変形し、並列に配置した別のＡｌ配線に短絡することで不良を検出する。

特開平１１−２６０８７８号公報

特許文献１に開示の方法では、ウィスカが横方向に成長した場合のみストレスを検出できるので、半導体デバイスが受けたストレスの検出精度が低い問題点があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、半導体デバイスが受けたストレスの検出精度を高めることができる半導体デバイスを提供することを目的とする。

本願の発明に係る半導体デバイスは、半導体基板と、該半導体基板の上に設けられた電子回路と、該半導体基板の上に隣接して設けられた複数の金属パターンと、該複数の金属パターンの横に位置する柱状部と、該柱状部とつながり該複数の金属パターンの直上に位置する直上部と、を有し、該複数の金属パターンと接触せず、導体で形成されたエアブリッジ構造と、該エアブリッジ構造に電気的に接続され、外部に伸びる第１端子と、該複数の金属パターンに個別に電気的に接続され、外部に伸びる複数の端子と、を備え、該複数の金属パターン及び該エアブリッジ構造は、該電子回路と電気的に接触しないことを特徴とする。

本願の発明に係る他の半導体デバイスは、電子回路と、該電子回路を覆う、絶縁体で形成されたパッケージと、該パッケージの上に設けられた半導体基板と、該半導体基板の上に設けられた金属パターンと、を備え、該金属パターンの上面全体が露出し、該金属パターンは該パッケージにより該電子回路と電気的に絶縁されたことを特徴とする。

本発明によれば、上方向に伸びるウィスカを検出可能とすることで、半導体デバイスが受けたストレスの検出精度を高めることができる。

実施の形態１に係る半導体デバイスの平面図である。 図１の破線部における断面図である。 半導体デバイスの使用中に生じる応力を示す図である。 ウィスカが発生したことを示す図である。 監視部等を示す図である。 キャップ等を示す図である。 柱状部の一部を電子回路と金属パターンの間に設けたことを示す図である。 遮蔽壁を示す図である。 金属パターンの変形例を示す図である。 金属パターンの別の変形例を示す図である。 金属パターンの別の変形例を示す図である。 金属パターンの別の変形例を示す図である。 庇型のエアブリッジ構造の図である。 ドーム型のエアブリッジ構造の図である。 加熱実験の結果を示す表である。 実施の形態２に係るウィスカ検出回路とその周辺の構造を示す平面図である。 図１６の破線における断面図である。 実施の形態３に係るウィスカ検出回路の断面図である。 ウィスカを示す図である。 実施の形態４に係る半導体デバイスの平面図である。 図２０の破線における断面図である。 変形例に係るウィスカ検出回路の断面図である。 他の変形例に係るウィスカ検出回路の断面図である。 実施の形態５に係る半導体デバイスの平面図である。 図２４の破線における断面図である。 変形例に係るウィスカ検出回路の断面図である。 他の変形例に係るウィスカ検出回路の断面図である。 実施の形態６に係る半導体デバイスの平面図である。 図２８の破線における断面図である。 変形例に係る半導体デバイスの平面図である。 他の変形例に係る半導体デバイスの平面図である。 ウィスカ検出回路の断面図である。

本発明の実施の形態に係る半導体デバイス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、本発明の実施の形態１に係る半導体デバイス１０の平面図である。半導体デバイス１０はフレーム１２を備えている。フレーム１２の上に半導体基板１４とキャップ１５が設けられている。フレーム１２とキャップ１５がパッケージを構成している。キャップ１５は枠部分だけが示され蓋部分は省略されている。半導体基板１４は例えばＧａＡｓ又はＳｉＣ等の化合物半導体で形成されている。

キャップ１５には、キャップ１５の中から外に伸びる端子１６が固定されている。端子１６は第１端子１６ａ、第２端子１６ｂ、第３端子１６ｃ、及び第４端子１６ｄを備えている。

半導体基板１４の上には電子回路２０と配線パターン２２が設けられている。電子回路２０は例えば電力増幅素子などを含む。配線パターン２２は、例えば半導体基板１４の上にＡｕで形成されたＡｕパターンである。配線パターン２２と電子回路２０は電気的に接続されている。配線パターン２２は例えばＡｕで形成されたワイヤ２４により端子１６に接続されている。

半導体基板１４の上には金属パターン３０が設けられている。金属パターン３０はＡｌで形成されている。金属パターン３０の上にはエアブリッジ構造３２が形成されている。エアブリッジ構造３２は例えばＡｕなどの導体で形成されている。金属パターン３０とエアブリッジ構造３２については図２を参照して説明する。

図２は、図１の破線部における断面図である。金属パターン３０は、金属パターン３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅを備えている。エアブリッジ構造３２は、柱状部３２ａと直上部３２ｂを備えている。柱状部３２ａは、金属パターン３０ｂ、３０ｃ、３０ｄの横に位置する。直上部３２ｂは、柱状部３２ａとつながり金属パターン３０ｂ、３０ｃ、３０ｄの直上に位置する。直上部３２ｂと金属パターン３０ｂ、３０ｃ、３０ｄの間に間隙が設けられているので、直上部３２ｂは金属パターン３０と接触しない。

金属パターン３０ａ、３０ｅの上にはバリアメタル４０が設けられている。そして、バリアメタル４０の上に柱状部３２ａが設けられている。バリアメタル４０は金属パターン３０ａ、３０ｅとエアブリッジ構造３２の相互拡散を防止するために、例えばＴｉ/Ｍｏ/Ｔｉ、Ｗ、ＷＮ、Ｔａ、又はＴａＮ等で形成する。

半導体基板１４の厚さｔ１は例えば３０〜６００μｍである。金属パターン３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅの厚さｔ２は例えば０．１〜１０μｍである。

図１の説明に戻る。金属パターン３０ａ（一番左の金属パターン）は、ワイヤで第１端子１６ａに接続される。これにより、エアブリッジ構造３２と第１端子１６ａが電気的に接続される。金属パターン３０ｂ（左から２番目の金属パターン）はワイヤで第２端子１６ｂに接続され、金属パターン３０ｃ（左から３番目の金属パターン）はワイヤで第３端子１６ｃに接続され、金属パターン３０ｄ（左から４番目の金属パターン）はワイヤで第４端子１６ｄに接続されている。

金属パターン３０及びエアブリッジ構造３２はウィスカを検出するための「ウィスカ検出回路」を構成している。このウィスカ検出回路は電子回路２０から離れた位置に設けられているので、電子回路２０と電気的に接触しない。

通電中の半導体デバイスは、例えば製品定格を越えるような過大な環境ストレス(温度、湿度、温度変化)を受けることがある。図３は、半導体デバイスの使用中に生じる応力を示す図である。半導体デバイスが例えば２８０℃以上の高温によるストレスを受けた場合には、半導体基板１４と金属パターン３０ｂの熱膨張率差に起因した熱応力５０が発生する。図４は、この熱応力により金属パターン３０ｂからウィスカ５２が発生したことを示す図である。ウィスカ５２が成長すると、金属パターン３０ｂとエアブリッジ構造３２がショートする。金属パターン３０ｃ、３０ｄについても、金属パターン３０ｂと同様にウィスカが生じえる。

ウィスカの有無の検出方法について説明する。図５は、監視部６０等を示す図である。第１〜第４端子１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄに監視部６０が接続されている。監視部６０は、第１〜第４端子１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄの中の任意の２つの端子がオープンかショートかをモニタするモニタ回路６０ａを備えている。モニタ回路６０ａでの調査結果が表示部６０ｂに表示される。なお、図５では説明の便宜上半導体デバイスの内部を示しているが、実際は図６に示すように、キャップ１５がウィスカ検出回路と電子回路２０等を覆う。

監視部６０を用いることで、任意の２つの端子がオープンかショートかをモニタすることができる。これにより、半導体デバイスが高温ストレスを受けてウィスカが成長したことを瞬時に検知することができる。

監視部６０によってウィスカの発生を検出した場合、冗長系を有するシステムであれば別の回路へ切り替えることができる。また、半導体デバイスが破壊した場合における原因調査にウィスカ検出回路を用いることもできる。具体的には、端子間の電気的オープン又は電気的ショートを確認することで、熱ストレスの履歴を非破壊で調べることができる。しかもこのウィスカ検出回路は、１つの半導体基板上に他の回路と集積して形成することができるので、小型パッケージの半導体デバイスに内蔵させることができる。また、ウィスカ検出回路は電子回路２０とは電気的に無関係なので、電子回路２０の電気特性に影響を与えることはない。つまり、ウィスカ回路でウィスカが検出されても、それが電子回路２０の動作に影響を与えることはない。

監視部６０を用いずに、キャップ１５全体をフレーム１２から外したり、キャップ１５の蓋部分を開けたりして、ウィスカ有無を外観観察し半導体デバイスのストレス履歴を調査してもよい。仮に電子回路２０等に不具合が生じた場合には、ウィスカの発生状況を調査することで、その不具合の原因を特定し得る。

金属パターン３０ａ、３０ｅは、半導体基板の上に金属パターン３０ｂ、３０ｃ、３０ｄと同じ材料で形成された土台部として機能する。つまり、金属パターン３０ａ、３０ｅはエアブリッジ構造３２の土台部として機能する。金属パターン３０ａ、３０ｅは、エアブリッジ構造３２と第１端子１６ａを接続すればよいので、必ずしも金属パターン３０ｂ、３０ｃ、３０ｄと同じ材料で形成する必要はない。金属パターン３０ａ、３０ｅとバリアメタル４０を省略して柱状部３２ａを下方に延長させることで、柱状部と半導体基板１４を接触させても良い。

ウィスカは上方向だけでなく横方向にも成長する場合がある。そこで、金属パターンを平行方向に並べることで、ある金属パターンから横方向に成長したウィスカが別の金属パターンに接触するようにした。例えば、金属パターン３０ｂと金属パターン３０ｃがショートした場合には横方向のウィスカ成長があったと判断できる。また、柱状部３２ａを金属パターン３０ｂ、３０ｃ、３０ｄの横に位置させることで、横方向に成長したウィスカが柱状部３２ａに接触し、当該ウィスカの発生を検出できる。

上記のとおり、ウィスカは上方向だけでなく横方向にも成長する場合がある。そのため、金属パターン３０から伸びるウィスカが電子回路２０に達し、電子回路２０の動作に影響を与えることを防止すべきである。そこで、エアブリッジ構造の柱状部で金属パターン３０を囲んで、横方向に成長したウィスカが電子回路２０に接触しないようにすることができる。また、横方向に成長したウィスカが配線パターン２２と接することも防止できる。柱状部で金属パターン３０を囲まずに、柱状部の一部を電子回路２０と金属パターン３０の間に設けてもよい。図７は、柱状部の一部を電子回路２０と金属パターン３０の間に設けたことを示す図である。柱状部の一部は防護壁３２ｃとなっている。防護壁３２ｃは半導体基板１４の上に設けられている。

金属パターンから伸びるウィスカが電子回路２０に達しないように金属パターン３０を囲む遮蔽壁を設けてもよい。図８は、遮蔽壁３３を示す図である。遮蔽壁３３の高さは、ウィスカの横方向への成長を阻止する程度に高くする必要があるが、ワイヤ接続を妨害しないように、金属パターンの厚さと同程度とすることが好ましい。遮蔽壁３３は、絶縁膜、樹脂又は金属膜で形成する。遮蔽壁で金属パターンを囲まずに、遮蔽壁を電子回路２０と金属パターン３０の間に設けてもよい。

図９は、金属パターンの変形例を示す図である。金属パターン３０ｂの一部が他の部分より幅が狭い幅狭部３０ｆとなっている。幅狭部３０ｆは平面視ではＶ字型の切り込みが形成された部分である。幅狭部３０ｆは破線で示されたエアブリッジ構造３２の直下にある。半導体デバイスがストレスを受けるとこの幅狭部３０ｆに応力が集中し、幅狭部３０ｆからウィスカが発生する。従って、ウィスカが発生する場所を限定することができるので、ウィスカを目視で観察（外観観察）する際に簡単にウィスカを見つけることができる。また、エアブリッジ構造の直下で上方に伸びるウィスカを成長させることで、確実にウィスカ（電気ショート）を検出できる。幅狭部は、金属パターンの一部に平面視で他の部分より幅が狭くなるように形成されれば特に限定されない。例えば、図１０の幅狭部３０ｇのようなＵ字型の幅狭部を形成してもよい。

図１１は、金属パターンの別の変形例を示す図である。金属パターン３０ｂには凹部３０ｈが形成されている。半導体デバイスがストレスを受けるとこの凹部３０ｈに応力が集中し凹部３０ｈにウィスカが発生する。よって、ウィスカが発生する場所を限定できる。この凹部の形状は特に限定されない。例えば図１２の凹部３０ｉのように凹部を形成してもよい。その他、金属パターン３０の数及び形状については任意に設定することができる。このように、幅狭部又は凹部をエアブリッジ構造の直上部の直下に位置させることでストレスの検出精度を高めることができる。

金属パターン３０の材料はＡｌに限定されない。金属パターン３０の材料は、どのような「半導体デバイスが受けたストレス」を検出したいかに応じて決める。ウィスカの発生する温度は、Ａｌ等をＴａ、Ｐｄ、又はＩｎ等で合金化することで調節することができる。また金属パターン３０のサイズ又は厚みを変えることでもウィスカの発生温度を調節することができる。金属パターンの厚みは例えば０．１〜１０μｍ程度である。

エアブリッジ構造の形状については様々な変形をなし得る。例えば、図１３に示すように、庇型のエアブリッジ構造７０を設けてもよい。また、図１４に示すように、ドーム型のエアブリッジ構造７２を設けてもよい。本発明の実施の形態１では、エアブリッジ構造の柱状部３２ａを、バリアメタル４０及び金属パターン３０ａ、３０ｅと区別したが、柱状部３２ａ、バリアメタル４０及び金属パターン３０ａ、３０ｅをまとめて柱状部と考えても良い。

これらの変形は以下の実施の形態に係る半導体デバイスにも応用することができる。なお、以下の実施の形態に係る半導体デバイスは、実施の形態１との共通点が多いので実施の形態１との相違点を中心に説明する。

実施の形態２．
ウィスカの発生する温度には閾値がある。つまり、半導体デバイスが一定の温度以上となった場合にウィスカが発生する。図１５は、加熱実験を行うことで得られた温度とウィスカ発生の関係を示す表である。加熱実験は、厚さ３０μｍのＧａＡｓ基板上に厚さ０．５μｍのＡｌ膜（純Ａｌ）を真空蒸着して得たサンプルを、１２５℃から３３０℃の各温度で１時間保持することで実施した。ウィスカの発生有無は光学顕微鏡（SEMでもよい）により確認した。この加熱実験により、ウィスカ発生温度には閾値があることが分かる。

図１６は、実施の形態２に係るウィスカ検出回路とその周辺の構造を示す平面図である。金属パターン８０ａ、８０ｂ、８０ｃとエアブリッジ構造８２が第１ウィスカ検出回路を構成し、金属パターン８０ｄ、８０ｅ、８０ｆとエアブリッジ構造８４が第２ウィスカ検出回路を構成し、金属パターン８０ｇ、８０ｈ、８０ｉとエアブリッジ構造８６が第３ウィスカ検出回路を構成している。

金属パターン８０ａ、８０ｂ、８０ｃは２８０℃でウィスカが発生するように構成され、金属パターン８０ｄ、８０ｅ、８０ｆは３３０℃でウィスカが発生するように構成され、金属パターン８０ｇ、８０ｈ、８０ｉは３８０℃でウィスカが発生するように構成されている。つまり、第１〜第３ウィスカ検出回路のウィスカ発生温度が異なる。金属パターン８０ａ〜８０ｉがＡｌを主材料とする場合、Ａｌを合金化したり、Ａｌのサイズ又は厚みを調整したりすることで、ウィスカ発生温度を調整する。

図１７は、図１６の破線における断面図である。半導体デバイスが２８０℃以上の熱ストレスを受けた場合はウィスカ９０が発生する。半導体デバイスが３３０℃以上の熱ストレスを受けた場合はウィスカ９０、９２が発生する。半導体デバイスが３８０℃以上の熱ストレスを受けた場合はウィスカ９０、９２、９４が発生する。このように、半導体デバイスがどの程度の熱ストレスを受けたのか容易に検出することができる。多段階で熱ストレスの程度を検出できるので、半導体デバイスが受けたストレスの検出精度を高めることができる。

実施の形態２の半導体デバイスの特徴は、金属パターンを複数有し、エアブリッジ構造を複数有し、複数の金属パターンのウィスカの発生条件が異なるウィスカ検出回路を設けたことである。この特徴を逸脱しない範囲で様々な変形をなし得る。

実施の形態３．
図１８は、実施の形態３に係るウィスカ検出回路の断面図である。実施の形態２との相違点は、複数のエアブリッジ構造１００、１０２、１０４の直上部１００ａ、１０２ａ、１０４ａの高さが不均一となっていることである。直上部１００ａから直上部１００ａの直下の金属パターン１０５ｂまでの距離はｈ１である。直上部１０２ａから直上部１０２ａの直下の金属パターン１０５ｅまでの距離はｈ２である。直上部１０４ａから直上部１０４ａの直下の金属パターン１０５ｈまでの距離はｈ３である。ｈ２はｈ１より大きく、ｈ３はｈ２より大きい。つまり、直上部から直上部の直下の金属パターンまでの距離が不均一となっている。

半導体デバイスの加熱時間が長いほど、ウィスカは上方向に長く成長する。加熱時間が１分程度の場合はウィスカの高さがｈ１となり、５分程度の場合はウィスカの高さがｈ２となり、１０分程度の場合はウィスカの高さがｈ３となる。そのため、図１９に示すように、加熱時間が１分の場合はウィスカ１０６により金属パターン１０５ｂとエアブリッジ構造１００がショートする。加熱時間が５分の場合はウィスカ１０８により金属パターン１０５ｅとエアブリッジ構造１０２がショートする。加熱時間が１０分の場合は金属パターン１０５ｈとエアブリッジ構造１０４がショートする。

したがって、半導体デバイスが予め定められた閾値以上の温度のストレスをどの程度の時間受けたのか容易に検出することができる。このように、実施の形態３に係るウィスカ検出回路は熱ストレスを受けた時間を計測するものであるから、すべての金属パターン１０５ａ-１０５ｉは同じ材料で形成することが好ましい。エアブリッジの直上部からその直上部の直下の金属パターンまでの距離は任意に設定できる。ウィスカ検出回路の数も任意に設定できる。

実施の形態４．
図２０は、実施の形態４に係る半導体デバイスの平面図である。金属パターン１５０はＳｎで形成されている。図２１は、図２０の破線における断面図である。金属パターン１５０は、金属パターン１５０ａ、１５０ｂ、１５０ｃ、１５０ｄ、１０５ｅを備えている。半導体デバイス内部が高温高湿（例えば、６０℃/９０％以上（６０℃/９０％以上とは温度が６０℃以上で湿度が９０％以上であることを示す、以下同じ））となるストレスを受けた場合には、Ｓｎで形成された金属パターン１５０の表面が酸化して体積が膨張する。そのため、金属パターン１５０ｃの表面に圧縮応力１５２が発生する。この圧縮応力により、金属パターン１５０ｃからウィスカ１５４が発生し、金属パターン１５０ｃとエアブリッジ構造３２がショートする。このショートを監視部又は外観観察により検出することで、半導体デバイスが受けたストレスを検出できる。

金属パターン１５０をＳｎで形成することで、半導体デバイスが温度と湿度によるストレスをどの程度受けたか検出できる。ウィスカの発生温度を調整するために、ＳｎにＢｉ又はＰｂ等を加えて合金化したり、金属パターンのサイズ又は厚みを変えたりしてもよい。なお、金属パターン１５０の厚みは例えば０．１〜１０μｍの範囲で変動させる。

図２２は、変形例に係るウィスカ検出回路の断面図である。金属パターン１６０ａは３０℃以上かつ９０％以上の湿度でウィスカを発生し、金属パターン１６０ｂは４０℃以上かつ９０％以上の湿度でウィスカを発生し、金属パターン１６０ｃは６０℃かつ９０％以上の湿度でウィスカを発生する。ウィスカの発生温度は、Ｓｎの合金化又はサイズと厚みの調節などにより調整する。ウィスカ１６２、１６４、１６６の有無を調査することで、半導体デバイスが受けたストレスを精度よく検出できる。

図２３は、他の変形例に係るウィスカ検出回路の断面図である。エアブリッジの直上部１００ａ、１０２ａ、１０４ａと金属パターン１７０ａ、１７０ｂ、１７０ｃの距離を不均一とした。予め定められた高温高湿状態が１０時間継続した場合に金属パターン１７０ａとエアブリッジ構造１００がウィスカ１７２によってショートする。予め定められた高温高湿状態が１００時間継続した場合に金属パターン１７０ｂとエアブリッジ構造１０２がウィスカ１７４によってショートする。予め定められた高温高湿状態が１０００時間継続した場合に金属パターン１７０ｃとエアブリッジ構造１０４がウィスカ１７４によってショートする。こうして、高温高湿ストレスを受けた時間を計測することができる。

実施の形態５．
図２４は、実施の形態５に係る半導体デバイスの平面図である。金属パターン２００はＺｎで形成されている。図２５は、図２４の破線における断面図である。金属パターン２００は、金属パターン２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄ、２００ｅを備えている。半導体デバイスが急激な温度変化（例えば、−４０℃から８５℃までの温度変化）のストレスを繰り返し受けた場合、半導体基板１４と金属パターン２００の熱膨張率差に起因した膨張圧縮応力２０２が発生する。この膨張圧縮応力により、金属パターン２００ｄからウィスカ２０４が発生し、金属パターン２００ｄとエアブリッジ構造３２がショートする。このショートを監視部又は外観観察により検出することで、半導体デバイスが受けたストレス（急激な温度変化）を検出できる。

金属パターンをＺｎで形成することで、半導体デバイスが温度変化によるストレスを受けたか判定できる。ウィスカの発生温度を調整するために、ＺｎにＢｉ又はＰｂ等を加えて合金化したり、金属パターンのサイズ又は厚みを変えたりしてもよい。なお、金属パターンの厚みは例えば０．１〜１０μｍの範囲で変動させる。

図２６は、変形例に係るウィスカ検出回路の断面図である。金属パターン２１０ａは−４０℃から８５℃までの温度変化を受けるとウィスカ２１２が成長するものである。金属パターン２１０ｂは−５５℃から１２５℃までの温度変化を受けるとウィスカ２１４が成長するものである。金属パターン２１０ｃは−６５℃から１７５℃までの温度変化を受けるとウィスカ２１６が成長するものである。ウィスカの発生温度は、Ｚｎの合金化又はサイズと厚み調節などにより調整する。ウィスカ２１２、２１４、２１６の有無を調査することで、半導体デバイスが受けたストレスを精度よく検出できる。

図２７は、他の変形例に係るウィスカ検出回路の断面図である。エアブリッジの直上部１００ａ、１０２ａ、１０４ａと金属パターン２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃの距離を不均一とした。予め定められた温度変化によるストレスを１０回受けた場合に金属パターン２２０ａとエアブリッジ構造１００がウィスカ２２２によってショートする。予め定められた温度変化によるストレスを１００回受けた場合に金属パターン２２０ｂとエアブリッジ構造１０２がウィスカ２２４によってショートする。予め定められた温度変化によるストレスを１０００回受けた場合に金属パターン２２０ｃとエアブリッジ構造１０４がウィスカ２２６によってショートする。このように温度変化によるストレスを受けた回数に応じてウィスカが成長する性質を利用して、温度変化によるストレスを受けた回数を計測することができる。

実施の形態６．
図２８は、実施の形態６に係る半導体デバイスの平面図である。絶縁体で形成されたフレーム１２とキャップ１５（パッケージ）が電子回路を覆っている。パッケージの表面には金属パターン３００ａ、３００ｂ、３００ｃが露出している。図２９は、図２８の破線における断面図である。キャップ１５の上には半導体基板３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃが設けられている。半導体基板３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃは例えばＧａＡｓ又はＳｉＣで形成される。半導体基板３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃの上にそれぞれ金属パターン３００ａ、３００ｂ、３００ｃが設けられている。金属パターン３００ａはＡｌであり、金属パターン３００ｂはＳｎであり、金属パターン３００ｃはＺｎである。

半導体デバイスが高温（例えば２８０℃以上）のストレスを受けた場合には、半導体基板３０２ａと金属パターン３００ａの熱膨張率差に起因した応力によりウィスカ３０４が発生する。半導体デバイスが高温高湿（例えば６０℃/９０％以上）のストレスを受けた場合には、金属パターン３００ｂの体積膨張に起因した応力によりウィスカ３０６が発生する。半導体デバイスが急激な温度変化（例えば−４０℃から８５℃）による環境ストレスを繰り返し受けた場合には半導体基板３０２ｃと金属パターン３００ｃの熱膨張率差に起因した膨張圧縮応力によりウィスカ３０８が発生する。

このため、金属パターン３００ａ、３００ｂ、３００ｃの外観を観察しウィスカの有無を確認することで、半導体デバイスが受けた環境ストレスの履歴を非破壊で調べることができる。ウィスカの発生条件は、Ａｌ、Ｓｎ、Ｚｎ等のメタルをＴａ、Ｐｄ、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｐｄ等で合金化することで調節することができる。またメタルのサイズ又は厚みを変えることでもウィスカの発生条件を調節することができる。厚みの範囲は例えば０．１〜１０μｍである。

図３０は、変形例に係る半導体デバイスの平面図である。金属パターン３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃに幅狭部を設けることで、当該幅狭部に応力を集中させ、ウィスカの発生箇所を限定することができる。

図３１は、他の変形例に係る半導体デバイスの平面図である。金属パターン３１２ａ、３１２ｂはＡｌを主成分とするパターンである。金属パターン３１２ａは２８０℃で加熱されるとウィスカを発生させ、金属パターン３１２ｂは３８０℃で加熱されるとウィスカを発生させる。

金属パターン３１２ｃ、３１２ｄはＳｎを主成分とするパターンである。金属パターン３１２ｃは高温高湿が１０時間維持された場合にウィスカを発生させる。金属パターン３１２ｄは高温高湿が１０００時間維持された場合にウィスカを発生させる。

金属パターン３１２ｅ、３１２ｆはＺｎを主成分とするパターンである。金属パターン３１２ｅは−４０℃から８５℃までの温度変化があるとウィスカを発生させる。金属パターン３１２ｆは−６５℃から１７５℃までの温度変化があるとウィスカを発生させる。

このように、ウィスカの発生条件が異なる複数の金属パターンを設けることで、半導体デバイスが受けたストレスの検出精度を高めることができる。なお、金属パターンの下に設ける半導体基板は、金属パターンと同じ平面形状でもよいし、複数の金属パターンを形成できるように大面積で形成してもよい。

図３２は、他の変形例に係るウィスカ検出回路の断面図である。ウィスカはストレスを受けた時間に応じて縦方向に長く成長する。そのため、最初は左側の短いウィスカ３０４が発生し、ストレス印加時間が長くなると中央のやや長いウィスカ３０４となり、さらにストレス印加時間が長くなると右側の長いウィスカ３０４となる。したがって、ウィスカの高さを確認することで、ストレスを受けた時間を知ることができる。

金属パターンの材料としてＡｌ、Ｓｎ、Ｚｎを例示したが、例えばＡｇなどの他の材料を用いてもよい。なお、ここまでで説明した各実施の形態の特徴は適宜に組み合わせて用いてもよい。

１０ 半導体デバイス、 １２ フレーム、 １４ 半導体基板、 １５ キャップ、 １６ 端子、 ２０ 電子回路、 ２２ 配線パターン、 ２４ ワイヤ、 ３０ 金属パターン、 ３２ エアブリッジ構造、 ３２ａ 柱状部、 ３２ｂ 直上部、 ３２ｃ 防護壁、 ３３ 遮蔽壁、 ５２ ウィスカ、 ６０ 監視部、 ７２ エアブリッジ構造

Claims (15)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板の上に設けられた電子回路と、
   前記半導体基板の上に隣接して設けられた複数の金属パターンと、
   前記複数の金属パターンの横に位置する柱状部と、前記柱状部とつながり前記複数の金属パターンの直上に位置する直上部と、を有し、前記複数の金属パターンと接触せず、導体で形成されたエアブリッジ構造と、
   前記エアブリッジ構造に電気的に接続され、外部に伸びる第１端子と、
   前記複数の金属パターンに個別に電気的に接続され、外部に伸びる複数の端子と、を備え、
   前記複数の金属パターン及び前記エアブリッジ構造は、前記電子回路と電気的に接触しないことを特徴とする半導体デバイス。
2. 前記複数の金属パターンから伸びるウィスカが前記電子回路に達しないように前記複数の金属パターンを囲む遮蔽壁を備えたことを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス。
3. 前記複数の金属パターンの一部は平面視で他の部分より幅が狭い幅狭部であり、
   前記幅狭部は前記直上部の直下に位置することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体デバイス。
4. 前記複数の金属パターンの一部には凹部が形成され、
   前記凹部は前記直上部の直下に位置することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体デバイス。
5. 前記柱状部は、前記電子回路と前記金属パターンの間にあることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
6. 半導体基板と、
   前記半導体基板の上に設けられた電子回路と、
   前記半導体基板の上に設けられた金属パターンと、
   前記金属パターンの横に位置する柱状部と、前記柱状部とつながり前記金属パターンの直上に位置する直上部と、を有し、前記金属パターンと接触せず、導体で形成されたエアブリッジ構造と、
   前記金属パターンから伸びるウィスカが前記電子回路に達しないように前記金属パターンを囲む遮蔽壁と、を備え、
   前記金属パターン及び前記エアブリッジ構造は、前記電子回路と電気的に接触しないことを特徴とする半導体デバイス。
7. 前記半導体基板の上にＡｕで形成され、前記電子回路と電気的に接続された、Ａｕパターンを備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
8. 前記半導体基板の上に前記金属パターンと同じ材料で形成された土台部と、
   前記土台部の上に設けられたバリアメタルと、を備え、
   前記柱状部は前記バリアメタルの上に設けられたことを特徴とする請求項６又は７に記載の半導体デバイス。
9. 半導体基板と、
   前記半導体基板の上に設けられた電子回路と、
   前記半導体基板の上に設けられた金属パターンと、
   前記金属パターンの横に位置する柱状部と、前記柱状部とつながり前記金属パターンの直上に位置する直上部と、を有し、前記金属パターンと接触せず、導体で形成されたエアブリッジ構造と、を備え、
   前記金属パターンの一部は平面視で他の部分より幅が狭い幅狭部であり、
   前記幅狭部は前記直上部の直下に位置し、
   前記金属パターン及び前記エアブリッジ構造は、前記電子回路と電気的に接触しないことを特徴とする半導体デバイス。
10. 半導体基板と、
    前記半導体基板の上に設けられた電子回路と、
    前記半導体基板の上に設けられた金属パターンと、
    前記金属パターンの横に位置する柱状部と、前記柱状部とつながり前記金属パターンの直上に位置する直上部と、を有し、前記金属パターンと接触せず、導体で形成されたエアブリッジ構造と、を備え、
    前記金属パターンには凹部が形成され、
    前記凹部は前記直上部の直下に位置し、
    前記金属パターン及び前記エアブリッジ構造は、前記電子回路と電気的に接触しない
    ことを特徴とする半導体デバイス。
11. 電子回路と、
    前記電子回路を覆う、絶縁体で形成されたパッケージと、
    前記パッケージの上に設けられた半導体基板と、
    前記半導体基板の上に設けられた金属パターンと、を備え、
    前記金属パターンの上面全体が露出し、
    前記金属パターンは前記パッケージにより前記電子回路と電気的に絶縁されたことを特徴とする半導体デバイス。
12. 前記半導体基板を複数有し、
    前記金属パターンを複数有し、
    複数の前記金属パターンのウィスカの発生条件が異なることを特徴とする請求項１１に記載の半導体デバイス。
13. 前記金属パターンはＡｌ、Ｓｎ又はＺｎで形成され、
    前記半導体基板は化合物半導体で形成されたことを特徴とする請求項６、９〜１２のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
14. 前記金属パターンの一部は平面視で他の部分より幅が狭い幅狭部であることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の半導体デバイス。
15. 前記金属パターンには凹部が形成されたことを特徴とする請求項１１又は１２に記載の半導体デバイス。

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