JP6440903B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関するものである。
パワーモジュールに採用される半導体装置には、例えばＳｉ（珪素）あるいはＳｉＣ（炭化珪素）を基材とする半導体素子が使用される。半導体素子の温度を所定温度以下に保つ必要から、半導体素子から発せられる熱を効率良く放熱することが望まれる。
この放熱という観点で、従来から、半導体素子に対して絶縁基板を介して冷却器が接合されたパワーモジュールが提案されている。絶縁基板では、高熱伝導性の絶縁セラミック板と、その両面に設けられた高熱伝導性の金属からなる導板とが一体となっている。絶縁セラミック板には、例えば窒化珪素、窒化アルミニウムまたはアルミナが用いられる。導板には、例えばアルミニウム（アルミニウム合金を含む。以下、同じ）または銅（銅合金を含む。以下、同じ）が用いられる。
絶縁基板の一方の面には、半導体素子が、焼結Ａｇ等の焼結金属を介して接合される。絶縁基板の他方の面には、半田等の接合材を介して直接的または間接的に冷却器が接合される。
他方、半導体装置を封止する樹脂の変形を抑制する観点で、半導体素子についての提案もされている。かかる変形は、例えば外部環境の温度変化に由来する。例えばその曲げ強度が１００ＭＰa以上１０００ＭＰa以下の半導体素子が、応力緩和部材として配置される。
特許文献１における応力緩和部材は、絶縁基板の主面に配置された１００ＭＰa以上１０００ＭＰａ以下の曲げ強度を有する半導体素子からなる。
特開２０１５−１５４１２号公報
放熱という観点に関して上述のように提案された構成であっても、当該構成に要求される寿命期間において十分な放熱性能を維持できない場合があった。これは半導体素子と冷却器とではそれぞれの熱膨張係数が相違し、使用条件によっては熱応力が発生すること、その熱応力により半導体素子あるいは、半導体素子と冷却器との間の接合部材に、クラックが生じること、が原因である。
例えば特許文献１に開示された応力緩和部材を備える半導体装置には、冷却器と絶縁基板とが半田で直接に接合されている直接冷却式モジュールにおいて、問題点がある。絶縁基板上には半導体素子（例えばＳｉＣチップ）と接合されているＡｇシンター部が存在する。一般にＳｉＣはＳｉよりも高いジャンクション温度に耐えることが期待されており、高温／低温を繰り返すヒートサイクルは、その高温時において１７５℃以上となる。そしてかかるヒートサイクルで動作する際、このＡｇシンター部にクラックが生じる場合があった。
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、熱伝導性が高く、かつ、工作性に優れた半導体装置、およびその製造方法を提供することを目的とする。
この発明にかかる半導体装置は、絶縁板と、前記絶縁板の一方の面に設けられた第１の導板と、前記絶縁板の他方の面に設けられた第２の導板とを有する絶縁基板を備える。更に、焼結金属と、前記焼結金属を介して前記第１の導板上に設けられた厚さ０．０５ｍｍ以上０．１ｍｍ以下である半導体素子と、接合材と、前記接合材を介して前記第２の導板に接合された冷却部材とを備える。前記半導体素子は、そのチップ厚みの３０％以下のクラック進展深さ率を有する。
この発明にかかる半導体装置の製造方法は、（ａ）絶縁板と、前記絶縁板の一方の面に設けられた第１の導板と、前記絶縁板の他方の面に設けられた第２の導板とを有する絶縁基板を用意する工程と、（ｂ）前記第１の導板に、焼結金属を介して、厚みが０．０５ｍｍ以上０．１ｍｍ以下であり、厚みの３０％以下のクラック進展深さ率を有する半導体素子を設ける工程と、（ｃ）前記第２の導板に、第１の接合材を介して冷却部材を接合させる工程とを備える。
この発明にかかる半導体装置によれば、半導体素子の線膨張係数と、冷却部材の熱膨張係数との差に起因する熱応力が、半導体素子で吸収される。よって熱伝導性を高くしつつも、接合材に発生する応力を緩和し、工作性に優れる。この発明にかかる半導体装置の製造方法は、この発明にかかる半導体装置の製造に資する。
この発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
実施の形態１にかかる半導体装置の構造を示す断面図である。 半導体素子の製造工程を順次に示す断面図である。 半導体素子の製造工程を順次に示す断面図である。 半導体素子の製造工程を順次に示す断面図である。 半導体素子の製造工程を順次に示す断面図である。 半導体素子を製造した後、半導体装置を得る前の工程を示す断面図である。 絶縁基板の線膨張係数に対するダイボンド材の寿命の関係を示すグラフである。 ダイボンド材に発生した剥離を示すＳＡＴ像である。 ダイシング後の半導体素子１１の顕微鏡による断面像である。 ダイシング後の半導体素子１１の顕微鏡による断面像である。 半導体素子の累積故障率と曲げ強度との関係を示すグラフである。 半導体装置において半導体素子に印加される応力を示すグラフである。 ダイシング条件とクラック進展深さ率との関係を示すグラフである。 実施の形態２にかかる半導体装置の構造を示す断面図である。 実施の形態２にかかる半導体装置の製造工程を順次に示す断面図である。 実施の形態２にかかる半導体装置の製造工程を順次に示す断面図である。 実施の形態３にかかる半導体装置の構造を示す断面図である。 実施の形態３にかかる他の半導体装置の構造を示す断面図である。 実施の形態４にかかる半導体装置の構造を示す断面図である。 実施の形態４にかかる半導体装置の製造工程を順次に示す断面図である。 実施の形態４にかかる半導体装置の製造工程を順次に示す断面図である。 実施の形態４にかかる半導体装置の製造工程を順次に示す断面図である。
＜実施の形態１＞．
図１は、実施の形態１にかかる半導体装置１０１の構造を示す断面図である。半導体装置１０１は、半導体素子１１、ダイボンド材２２、絶縁基板１３、接合材２３、冷却部材１２を備えている。
半導体素子１１は、ダイボンド材２２を介して絶縁基板１３の一方の面に接合されている。絶縁基板１３の他方の面と冷却部材１２とが、接合材２３を介して接合されている。絶縁基板１３は、絶縁板としての絶縁セラミックス６と、絶縁セラミックス６の一方の面に設けられた導板５と、他方の面に設けられた導板７とを有する。換言すれば絶縁基板１３は、導板５，７と、導板５と導板７とに挟まれて配置された絶縁セラミックス６とを有する。これらはろう材等を用いてあらかじめ絶縁基板１３として一体化されている。
導板５はダイボンド材２２に接する。よって半導体素子１１はダイボンド材２２を介して導板５上に設けられ、より具体的には導板５に接合される。但し、半導体素子１１と絶縁基板１３とがＣｕ固相拡散接合または超音波接合等の直接接合で接合されて、ダイボンド材２２が省略されてもよい。導板７は冷却部材１２に対向し、接合材２３を介して冷却部材１２に接合される。
半導体素子１１は半導体基体１１ａと、半導体基体１１ａに電気的に接続された配線電極１１ｂとを有する。半導体素子１１は、配線電極１１ｂが形成された面（以下「第１主面」と称す）とは反対側（図中下側）の面（以下「第２主面」と称す）に、裏面外部出力電極１１ｃを更に有する。
半導体基体１１ａは例えばＳｉＣを基材とする。ＳｉＣは、いわゆるワイドバンドギャップ半導体である。ワイドバンドギャップ半導体はＳｉに比べてバンドギャップが大きく、これを半導体基体１１ａに採用することは、半導体素子１１の絶縁破壊電界強度を大きくする観点で、また半導体素子１１を１７５℃以上の高温で動作させる観点で有利である。以下、半導体基体１１ａとしてＳｉＣを基材とする場合を例にとって説明する。
配線電極１１ｂは、例えばＣｕ、Ａｌ、ＡｌＳｉ、Ｎｉ、Ａｕの金属層のいずれかまたはその組み合わせで実現される。本実施の形態において、裏面外部出力電極１１ｃは、例えばＡｌ、ＡｌＳｉ、Ｎｉ、Ａｕの金属層のいずれかまたはその組み合わせで実現される。
ダイボンド材２２には、例えば銀ナノ粒子の低温焼結材、Ｃｕ−ＳｎまたはＡｇ−Ｓｎのような液相拡散接合材、または、半田等の、電気および熱の良導体である接合材料を用いることができる。以下ではダイボンド材２２として焼結金属を採用する場合を例に取って説明する。当該焼結金属は例えば焼結Ａｇである。
ヒートサイクル試験時に半導体素子１１の熱膨張係数と冷却部材１２の熱膨張係数との差に起因して発生する熱応力は、半導体素子１１で吸収される。半導体装置１０１全体が撓むときに、ダイボンド材２２も撓んでダイボンド材２２に応力が発生し、ダイボンド材２２はその応力に耐える必要がある。
ダイボンド材２２は、その厚みが３μｍ未満であるとヒートサイクル試験時に発生する応力に耐えることができず、クラックが入り、強度的に不十分である。またダイボンド材２２は、その厚みが１００μｍを超えると、その形成プロセス中にクラックが入る懸念がある。よってダイボンド材２２の厚さは、その強度を確保する観点で３μｍ以上であることが望ましく、形成プロセスでクラックが発生することを防止する観点で１００μｍ以下であることが望ましい。
導板５，７のいずれにも、例えば銅またはアルミニウム等の電気および熱の良導体を用いることができる。導板５，７に銅を採用した場合、例えば、その厚みが０．２〜１．０ｍｍであり、線膨張係数は１７ｐｐｍである。
絶縁セラミックス６には、窒化珪素、窒化アルミニウムまたはアルミナ等の、電気的観点で絶縁体であり、かつ、熱の良導体であるセラミックスを用いることができる。絶縁セラミックス６に窒化珪素を採用した場合、例えばその厚みが０．１ｍｍ〜１．００ｍｍであり、線膨張係数は２．５ｐｐｍである。また上記導板５，７を合わせた絶縁基板１３の全体としての線膨張係数は例えば５．７〜８．９ｐｐｍと見積もることができる。
接合材２３には、例えば銀ナノ粒子の低温焼結材、銀ペースト材、Ｃｕ−ＳｎまたはＡｇ−Ｓｎのような液相拡散接合材、または、半田等の、熱の良導体である接合材料を用いることができる。半田で接合する場合は、半田材の降伏応力も留意することが望ましく、例えばＳｎ−Ｃｕ−Ｓｂのような高強度半田が好ましい。
冷却部材１２は、銅またはアルミニウムなどの熱伝導の良好な金属材料で形成される。
このような構成によれば、半導体素子１１から冷却部材１２までの熱抵抗は小さい。従って半導体素子１１からの発熱は冷却部材１２まで優れた熱伝達性によって伝達される。また、半導体素子１１の熱膨張係数と冷却部材１２の熱膨張係数との相違に起因する熱応力は、半導体素子１１の塑性変形によって大部分が吸収される。よって絶縁基板１３と冷却部材１２との間の接合の信頼性が十分に確保される。
次に、図２から図５を用いて、半導体素子１１の製造工程、特に半導体素子１１の厚さｔが１００μｍ以下の場合の製造工程を簡単に例示する。図２から図５は、半導体素子１１の製造工程を順次に示す断面図である。まず第１主面にデバイス面を作製する。当該デバイス面は、例えばＭＯＳＦＥＴではソース側の面である。この工程において配線電極１１ｂが形成される（図２参照）。
次に、第２主面を研削し、半導体基体１１ａの厚さを例えば５０μｍ以上１００μｍ以下にする（図３参照）。当該研削は、例えば、ダイヤモンド砥粒をビトリファイドで結合した砥石を採用した研削機で実現できる。当該研削の際には、半導体基体１１ａの第１主面側に保護テープを貼り付けて、デバイス面を研削から保護する。あるいは第１主面にワックスなどを塗布し、サポート基板を貼り付けてデバイス面を保護してもよい。
研削の後、第２主面にシリサイドを形成するための金属膜１１ｄを堆積する（図４参照）。金属膜１１ｄの材料として例えばＮｉが挙げられる。その後、金属膜１１ｄと半導体基体１１ａとを反応させてシリサイド層を形成し、コンタクト電極を形成する。当該反応は金属膜１１ｄへのレーザ光の照射で実現される。
その後、コンタクト電極の表面に対してエッチングを行い、当該表面の酸化膜等を除去する。エッチングは例えばＡｒ＋イオンを用いたドライエッチングで実現できる。この際、未反応の金属膜１１ｄの一部が残っても構わない。
表面の酸化膜が除去された後、コンタクト電極の表面上に、裏面外部出力電極１１ｃを形成する（図５参照）。簡単のため、コンタクト電極の図示は省略した。裏面外部出力電極１１ｃの成膜方法はその密着性に大きく影響する。本実施の形態では、ＤＣスパッタによって裏面外部出力電極１１ｃの成膜を行った。この際に投入した電力により、成膜温度は１００℃以上となった。
通常、半導体素子１１は、その複数が同じ半導体ウェハにおいて製造される。よって図２から図５に示された工程は、並行して製造される複数の半導体素子１１の一つについて着目した図である。当該半導体ウェハは複数の半導体素子１１において半導体基体１１ａとして用いられる。半導体素子１１の製造が完了した直後は、それらの複数同士が半導体基体１１ａを介して繋がっているので、ダイシングにより半導体素子１１の各々が分離して得られる。
図６は半導体素子１１の各々を製造した後、半導体装置１０１を得る前の工程を示す断面図である。導板５，７と絶縁セラミックス６とが上述の様に予め一体化した絶縁基板１３を用意する。そして導板５に、半導体素子１１をその第２主面側で、ダイボンド材２２を介して接合する。他方、導板７に接合材２３を介して冷却部材１２を接合する。このようにして半導体装置１０１が製造される（図１参照）。つまりかかる製造工程は、半導体装置１０１の製造に資する。
一般に、ヒートサイクル試験により、熱の良導体である冷却部材１２の線膨張係数と、絶縁基板１３および半導体素子１１の線膨張係数との違いにより、半導体装置１０１には撓みが発生する。よってこの撓みが大きいほど、ダイボンド材２２に発生する応力が大きくなる。
本実施の形態で用られる直接冷却式モジュール構造では、冷却部材１２は、例えば半田が採用される接合材２３が直接に接続される。そして冷却部材１２は、半導体素子１１をダイボンドした絶縁基板１３に対して、接合材２３を介して接合される。よって、冷却部材１２の線膨張係数と、絶縁基板１３および半導体素子１１の線膨張係数との差に起因した撓みが発生しやすくなる。
通常のモジュール構造では、冷却部材１２に、銅材でできたベース板（図示省略）を、グリスを介して接合する。さらにベース板には、例えば半田が採用される接合材を介して、半導体素子１１をダイボンドした絶縁基板１３が接合される。よって冷却部材１２の線膨張係数と、絶縁基板１３および半導体素子１１の線膨張係数との差に起因した撓みが、グリスやベース板により緩和され、直接冷却式モジュール構造に比べて撓みが緩和される。つまりダイボンド材２２に発生する応力は小さくなる。
次に、ダイボンド材２２に発生する応力を低減させるために望ましい絶縁基板１３の線膨張係数を求めるための計算を示す。
図７は、半導体装置１０１において、半導体素子１１とダイボンド材２２を介して接合される絶縁基板１３の全体としての線膨張係数に対する、ダイボンド材２２の寿命の関係を示すグラフである。この関係における助変数として半導体素子１１の厚さｔを採用し、その値が１００μｍ，２００μｍ，３００μｍの場合を示した。但し、これらのグラフはいずれも、ＣＡＥ（コンピュータ支援設計）により行った解析結果である。またダイボンド材２２として焼結Ａｇを用い、これを介して絶縁基板１３が半導体素子１１と接合され、接合材２３を介して絶縁基板１３に冷却部材１２が接合された場合を例示した。
図７の横軸は、絶縁基板１３の全体としての線膨張係数（図では単に「絶縁基板１３の線膨張係数」と表記：以下同様）を単位ｐｐｍにて示す。また図７の縦軸はダイボンド材２２の寿命、つまりヒートサイクル試験を行った際にダイボンド材２２が故障するまでのヒートサイクル試験のサイクル数を示す。ここでのヒートサイクル試験は、半導体装置１０１の外部環境温度を−（マイナス）４０℃度から１７５℃を経て再び−（マイナス）４０℃に変化させる温度サイクル試験である。
直接冷却式モジュール構造で用いている冷却部材１２をＡｌで構成する場合を想定してその線膨張係数を２３ｐｐｍとし、ＳｉＣを用いた半導体素子１１の線膨張係数を４．６ｐｐｍとした場合を例にとって説明する。
絶縁基板１３の線膨張係数が大きいほど、これと冷却部材１２の線膨張係数との差は小さく、絶縁基板１３と冷却部材１２との間に位置する接合材２３に発生する応力は小さい。しかし絶縁基板１３の線膨張係数が大きいほど、絶縁基板１３の線膨張係数と半導体素子１１の線膨張係数との差は大きく、絶縁基板１３の撓みによってダイボンド材２２に発生する応力は大きい。よって絶縁基板１３の線膨張係数が大きいほどダイボンド材２２の寿命は短い。
逆に絶縁基板１３の線膨張係数が小さいほど、冷却部材１２の撓みによって接合材２３に発生する応力は大きく、ダイボンド材２２に発生する応力は小さく、ダイボンド材２２の寿命は長い。
ダイボンド材２２の寿命改善に限って言えば、たとえば半導体素子１１にＳｉＣを用いた場合にその線膨張係数は４．６ｐｐｍであり、絶縁基板１３の線膨張係数は４．６ｐｐｍに近いほど良好である。ただし、冷却部材１２が例えばAｌで構成される場合、その線膨張係数は２３ｐｐｍであるので、絶縁基板１３の線膨張係数が半導体素子１１の線膨張係数に近いほど、絶縁基板１３の線膨張係数と冷却部材１２の線膨張係数との差が大きく、冷却部材１２の撓みによって接合材２３に発生する応力は大きくなる。
接合材２３に影響を与えない範囲で試算すると、図７に示すように、絶縁基板１３の線膨張係数の相違がダイボンド材２２のヒートサイクル寿命に与える影響は小さい。
図７で示された絶縁基板１３の線膨張係数のいずれにおいても、半導体素子１１の厚さｔを薄くすることにより、ダイボンド材２２の寿命が改善されることが分かる。これは半導体素子１１は、その厚みが薄いほど、冷却部材１２の撓みに追従し易く、以てダイボンド材２２に発生する応力を緩和させ得るからであると考えられる。よって半導体装置１０１において半導体素子１１の厚みを薄くすることは、ダイボンド材２２の寿命を改善する観点で望ましい。
図８はダイボンド材２２に発生した剥離を示すScanning Acoustic Tomograph(ＳＡＴ)像である。この剥離はヒートサイクル試験により発生したものである。このＳＡＴ像は、半導体装置１０１を半導体素子１１の第１主面側から見たものである。半導体素子１１のコーナー部の領域１１ｇにおいて、剥離状態を示す白い部分が見えている。ＳＡＴ像の深さ位置をダイボンド材２２に位置に設定しているので、この部分はダイボンド材２２の剥離状態を反映している。このようなダイボンド材２２の剥離が発生するまでのヒートサイクル数を向上させる観点で、半導体素子１１の厚さｔを薄くすることが望ましい。
図７から理解されるように、厚さｔが１００μｍの場合はヒートサイクル寿命が約３０００〜７０００サイクルであり、厚さｔが２００μｍの場合はヒートサイクル寿命が約４００〜６００サイクルであり、厚さｔが３００μｍの場合はヒートサイクル寿命が約２００〜３００サイクルである。つまり厚さｔが１００μｍの場合は、厚さｔが２００μｍの場合および３００μｍの場合と比較すると、ダイボンド材２２のヒートサイクル寿命は１桁程度向上している。これに対して、厚さｔが２００μｍの場合は、厚さｔが３００μｍの場合と比較すると、ダイボンド材２２のヒートサイクル寿命は２倍程度しか向上していない。
よってヒートサイクル寿命を顕著に向上させる観点から、半導体素子１１の厚さｔは１００μｍ以下であることが望ましい。他方、製造プロセスでの歩留まりを考慮すると、厚さｔは５０μｍ以上であることが望ましい。従って半導体素子１１の厚さｔの望ましい範囲は５０μｍ以上１００μｍ以下（即ち０．０５ｍｍ以上０．１ｍｍ以下）であると言える。
半導体素子１１が冷却部材１２の撓みに追従するには、半導体素子１１が自身に印加される応力に耐えなければならない。そこで、次に、半導体素子１１において望ましい曲げ強度の範囲について説明する。
図７に関して説明したヒートサイクル試験を半導体素子１１に対して行った場合、例えば１０００サイクルのヒートサイクル試験では、１００〜７００ＭＰａ未満の曲げ強度を有する半導体素子１１では、そのチップのエッジ部分からの割れが発生した。他方、７００ＭＰａ以上の曲げ強度を有する半導体素子１１では、かかる割れは発生しなかった。よって半導体素子１１の曲げ強度は７００ＭＰａ以上であることが望ましい。
半導体素子１１の曲げ強度は、半導体素子１１の製造過程およびその厚さｔに依存する。その中でも特に重要なパラメータとして半導体素子１１のダイシング条件があげられる。図９および図１０はいずれもダイシング後の半導体素子１１の顕微鏡による断面像である。但し図９の試料と図１０の試料とはダイシング条件が異なっている。
図９ではエッジ部にクラックＫが観察される。クラックＫの存在により、曲げ強度の評価の際にこれが引き金となって割れやすくなる。よってクラックＫの存在は、曲げ強度の向上という観点で望ましくない。
図１０ではクラックは観察されない。このような半導体素子１１は曲げ強度の評価の際に、破壊の引き金になる要素が減少する。つまり半導体素子１１を採用する半導体装置１０１の工作性に優れる。よって曲げ強度の向上という観点で、図１０の試料の方が、図９の試料よりも望ましい。
つまり、クラックが発生しないようなダイシング条件で、ダイシングを行うことが望ましい。ダイシング条件の改善は、具体的には、ダイシングの際に使用されるブレードの種類および厚み、ダイシングテープそれ自体の種類およびダイシングテープの粘着剤の種類を適切に選定することで得られる。
例えば、ブレードの厚みを小さくすることが望ましい。ダイシングの際に発生する余分なクラックを低減させるからである。またダイシングテープの粘着剤の粘着力を強くすることも望ましい。ブレード時に発生する応力で、その対象物（ここでは半導体素子１１）が変形するのを防止するためである。
図１１は、半導体素子１１の累積故障率と曲げ強度との関係を示すグラフであり、いわゆるワイブルプロットを示す。右縦軸には半導体素子１１の累積故障率Ｆ（ｔ）を百分率で、左縦軸には値ｌｎ（ｌｎ（１／（１−Ｆ（ｔ））））を（但し記号ｌｎは自然対数を示し、記号Ｆ（ｔ）中の記号ｔは時間を示す）、それぞれ採用した。図１１の横軸には、半導体素子１１の曲げ強度を単位にＭＰａを採用して示した。
但し、半導体素子１１としてＳｉＣを材料とするＭＯＳＦＥＴを用い、厚さｔは１００μｍである。曲げ強度は３点曲げ強度試験によって求めた。図１１は互いに異なる第１および第２のダイシング条件で作製した半導体素子１１について、それぞれ回帰線Ｊ１，Ｊ２で示している。
第１のダイシング条件よりも第２のダイシング条件の方がブレードの厚みが小さく、かつダイシングテープの粘着剤の粘着力が強い。第１のダイシング条件で作製された半導体素子１１は、回帰線Ｊ１で示される様に、曲げ強度がおよそ１００〜８００ＭＰａである。第２のダイシング条件で作製された半導体素子１１は、回帰線Ｊ２で示される様に、曲げ強度がおよそ７００〜１１００ＭＰａである。このように、第１のダイシング条件よりも第２のダイシング条件の方が曲げ強度の大きな半導体素子１１を得やすいことが分かる。しかも回帰線Ｊ１，Ｊ２の相違から明らかなように、第１のダイシング条件よりも第２のダイシング条件の方が曲げ強度のばらつきは小さい。
図１２は、半導体装置１０１において半導体素子１１に印加されるその厚さ方向の応力（垂直応力）を示すグラフである。当該グラフは、ＣＡＥ（コンピュータ支援設計）により行った計算結果を示す。縦軸には半導体素子１１に印加される応力の値を、横軸には、半導体素子１１とダイボンド材２２を介して接合される絶縁基板１３の線膨張係数の値を、それぞれ採用した。なお、半導体素子１１の厚さｔを助変数とし、その値として、１００μｍ，２００μｍ，３００μｍを採用した。
図１２の計算結果から、絶縁基板１３の線膨張係数に対する、半導体素子１１の厚さｔのいずれにおいても、半導体素子１１に印加される応力値は４００ＭＰａ未満であることが分かる。よって、半導体素子１１の曲げ強度が４００ＭＰａ未満であれば半導体素子１１に割れが生じ、これが４００ＭＰａ以上であれば半導体素子１１に不良が生じないと考えられる。
図１２の計算結果は、曲げ強度が７００ＭＰa以上ある半導体素子１１では、ヒートサイクル試験を１０００サイクル実施しても、割れで例示される不良の発生がないことと整合する。
また、厚さｔが薄いほど、半導体素子１１に印加される応力が高いことが分かる。つまり、厚さｔが薄いほど、半導体素子１１の曲げ強度は高いことが要求される。図７を用いて説明したように、厚さｔが薄いほど、ダイボンド材２２のヒートサイクル寿命は向上する。また図１１のグラフに関する累積故障率Ｆ（ｔ）を得た半導体素子１１の厚さｔは１００μｍであった。従って製造ばらつきを考慮すると、半導体素子１１の曲げ強度は１０００ＭＰａ以上であると、より望ましい。
図１３は、ダイシング条件とクラック進展深さ率との関係を示すグラフである。クラック進展深さ率は、ダイシング後のチップ端面に入るクラックの大きさを示すものである。クラックの進展深さ率は、図９を参照して、チップ厚みＬに対するクラックの深さｄの比の百分率（１００×ｄ／Ｌ［％］）として定義される。図１３において「改善前」「改善後」は、それぞれ上述の第１のダイシング条件および第２のダイシング条件に対応する。
図１３から、第１のダイシング条件よりも第２のダイシング条件の方が、クラック進展深さ率が低いことが分かる。図１１で強度の低下を招来した第１のダイシング条件ではクラックの進展深さ率は３０％を超えることが分かる。このことから強度向上を行う為には、クラックの進展深さ率を３０％以下に抑える必要があることが分かる。
半導体装置１０１は、半導体素子１１の線膨張係数と、冷却部材１２の熱膨張係数との差に起因する熱応力を、半導体素子１１で吸収する。よって接合材２３に発生する応力を緩和することができる。よって、熱伝導性が高く、かつ、工作性、信頼性に優れた半導体装置１０１を得ることができる。しかも半導体素子１１の厚さの下限は半導体素子１１の製造プロセスでの歩留まりを悪化させないので、顕著なコストの上昇もない。
＜実施の形態２＞．
図１４は、本実施形態に関する半導体装置１０２の構造を示す断面図である。半導体装置１０２は、実施の形態１における半導体装置１０１の構造に対して、絶縁基板１３を絶縁基板１４に置換した構成を有している。その他の構成要素は半導体装置１０１と同様である。但し、半導体素子１１において、半導体基体１１ａ、配線電極１１ｂ、裏面外部出力電極１１ｃの区別は省略した。
絶縁基板１４は、絶縁セラミックス６と銅板５１，７１とアルミニウム板５２，７２とを有する。銅板５１，７１は銅で構成される。アルミニウム板５２，７２はアルミニウムで構成される。
絶縁セラミックス６にはアルミニウム板５２，７２が接触して設けられ、銅板５１はアルミニウム板５２に、銅板７１はアルミニウム板７２に、それぞれ接触して設けられる。またアルミニウム板５２は絶縁セラミックス６と銅板５１とに挟まれ、アルミニウム板７２は絶縁セラミックス６と銅板７１とに挟まれる。銅板５１はダイボンド材２２を介して半導体素子１１に、銅板７１は接合材２３を介して冷却部材１２に、それぞれ接合される。
よって銅板５１とアルミニウム板５２とをまとめて、実施の形態１に倣って、導板５として把握することができる。同様に、銅板７１とアルミニウム板７２とをまとめて、実施の形態１に倣って、導板７として把握することができる。
このように導板７を、熱伝導率の高い銅と、塑性変形しやすいアルミニウムとの積層構造とすることにより、導板７を銅のみで構成する場合と比較して、絶縁基板１４と冷却部材１２との間の接合の信頼性を向上させる。これは、冷却部材１２をアルミニウムで構成するときに好適である。接合材２３を挟む両側の部材、即ち冷却部材１２と導板７とに熱応力が均等化されるからである。特に、接合材２３が半田で構成される場合、その効果は顕著である。
望ましくは、アルミニウム板７２が、少なくとも純度９９．５％以上、望ましくは９９．９％以上の純アルミニウムである。これにより、絶縁基板１４の全体としての線熱膨張係数をアルミニウムの線熱膨張係数に近づけることができ、接合材２３に働く応力を低減できるからである。かかる応力の低減は、絶縁基板１４と冷却部材１２との間の接合の信頼性を向上させる観点で望ましい。また、絶縁基板１４の全体としての線熱膨張係数をアルミニウムの線熱膨張係数に近づける観点では、アルミニウム板５２も、少なくとも純度９９．５％以上、望ましくは９９．９％以上の純アルミニウムであることが望ましい。
図１５および図１６は、半導体装置１０２の製造工程を順次に示す断面図である。まず図１５を参照して、絶縁基板１４を用意する。ここで「用意する」とは、絶縁板としての絶縁セラミックス６と、絶縁セラミックス６の両面に設けられた導板５，７とを有する絶縁基板１４を用意することを指し、必ずしも絶縁基板１４の製造を意味しない。また図示しないが、冷却部材１２も用意しておく。
図１６は、絶縁基板１４上に（より具体的には銅板５１上に）、ダイボンド材２２を介して半導体素子１１を配置する工程を示す。この後、更に絶縁基板１４の、半導体素子１１が配置された側とは反対側の銅板７１に、接合材２３を介して、冷却部材１２を接合させて、図１４に示された構成が得られる。
＜実施の形態３＞．
図１７は、本実施形態に関する半導体装置１０３の構造を示す断面図である。半導体装置１０３は、実施の形態１にかかる半導体装置１０１に対して、裏面外部出力電極１１ｃおよび導板５のいずれもを、銅で構成し、ダイボンド材２２を省略して実現される。つまり、裏面外部出力電極１１ｃおよび導板５はダイボンド材２２を介さずに互いに接合される。その他の構成は半導体装置１０１と同様である。
かかる構成において、裏面外部出力電極１１ｃと導板５との接合が液相拡散接合または固相拡散接合により接合される。かかる態様での接合は、応力に対する耐性を向上させる。これは絶縁基板１３と半導体素子１１との間の接合の信頼性を向上させる。
図１８は、本実施形態に関する他の半導体装置１０４の構造を示す断面図である。半導体装置１０４は、実施の形態２にかかる半導体装置１０２に対して、裏面外部出力電極１１ｃを銅で構成し、ダイボンド材２２を省略して実現される。つまり、裏面外部出力電極１１ｃおよび銅板５１は、ダイボンド材２２を介さずに互いに接合される。その他の構成は半導体装置１０２と同様である。
かかる構成において、裏面外部出力電極１１ｃと銅板５１との接合が液相拡散接合または固相拡散接合により接合される。かかる態様での接合は、応力に対する耐性を向上させる。これは絶縁基板１４と半導体素子１１との間の接合の信頼性を向上させる。
例えば絶縁基板１３の導板５、あるいは絶縁基板１４の銅板５１を、いわゆるDirect Bonded Copperと称される手法を用いて形成した場合、半導体素子１１と絶縁基板１３とを、あるいは半導体素子１１と絶縁基板１４とを、固相拡散接合もしくは液相拡散接合により接合できる。
もちろん、裏面外部出力電極１１ｃおよび導板５のいずれもを銅で構成しつつ、ダイボンド材２２を介して半導体素子１１と絶縁基板１３とを接合することも可能である。導板７も銅で構成してもよい。
＜実施の形態４＞．
図１９は、本実施形態に関する半導体装置１０５の構造を示す断面図である。半導体装置１０５は、実施の形態１で説明された半導体装置１０１に対して、リード３、接合材４および封止樹脂１７を追加した構成を有する。但し、本実施の形態では冷却部材１２には、放熱フィン１２ａを有する形状が採用されている。また、半導体素子１１において、半導体基体１１ａ、配線電極１１ｂ、裏面外部出力電極１１ｃの区別は省略した。
接合材４は、ダイボンド材２２とは反対側で半導体素子１１に（つまり第１主面に）接合され、リード３は接合材４を介して半導体素子１１に接合される。封止樹脂１７は、冷却部材１２上に設けられ、リード３、接合材４、半導体素子１１、絶縁基板１３、ダイボンド材２２、接合材２３を封止する。
このような構成の半導体装置１０５は、半導体素子１１の基材にＳｉＣを採用して１７５℃を超える温度下で動作させることが可能である。また、半導体素子１１と冷却部材１２との間の熱抵抗が低減されるので、半導体装置１０５を小型化でき、汎用性が拡大する。これは例えば、当該半導体装置１０５を用いてインバータを構成する場合、当該インバータの小型化に資する。
図２０から図２２は、本実施形態に関する半導体装置１０５の製造工程を順次に示す断面図である。まず導板５，７と絶縁セラミックス６とが予め一体化した絶縁基板１３を用意する。そしてダイボンド材２２を介して、半導体素子１１の第２主面側を導板５に接合する（図２０参照）。そして接合材２３を介して、導板７に冷却部材１２を接合する（図２１参照）。そして接合材４を半導体素子１１の第１主面側に接合し、更に接合材４に対して半導体素子１１とは反対側からリード３を接合材４に接合する（図２２参照）。更に封止樹脂１７を設ける。このような製造工程により図１９に示された構成が得られる。換言すれば、かかる製造工程は半導体装置１０５の実現に資する。

なお、本発明はその発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態の任意の構成要素を適宜に変形したり、各実施の形態において任意の構成要素を省略したりすることが可能である。
上記の実施の形態では、各構成要素の材質、材料、実施の条件等についても記載しているが、これらは例示であって記載したものに限られるものではない。
この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
３ リード、４，２３ 接合材、５，７ 導板、６ 絶縁セラミックス、１１ 半導体素子、１１ａ 半導体基体、１２ 冷却部材、１３，１４ 絶縁基板、１７ 封止樹脂、２２ ダイボンド材、５１，７１ 銅板、５２，７２ アルミニウム板、１０１〜１０５ 半導体装置。

Claims (8)

  1. 絶縁板と、前記絶縁板の一方の面に設けられた第１の導板と、前記絶縁板の他方の面に設けられた第２の導板とを有する絶縁基板と、
    焼結金属と、
    前記焼結金属を介して前記第１の導板上に設けられたチップ厚みの３０％以下のクラック進展深さ率を有し、厚さ０．０５ｍｍ以上０．１ｍｍ以下である半導体素子と、
    接合材と、
    前記接合材を介して前記第２の導板に接合された冷却部材とを備える半導体装置。
  2. 前記焼結金属の厚さは３μｍ以上１００μｍ以下である、請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記絶縁板は、窒化珪素、窒化アルミニウムまたはアルミナで構成される、請求項１に記載の半導体装置。
  4. 前記第２の導板が、銅または銅合金と、アルミニウムまたはアルミニウム合金との積層構造を有する、請求項１に記載の半導体装置。
  5. 前記冷却部材が、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成される、請求項１に記載の半導体装置。
  6. 前記半導体素子はＳｉＣを基材とする半導体基体を有する、請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の半導体装置。
  7. （ａ）絶縁板と、前記絶縁板の一方の面に設けられた第１の導板と、前記絶縁板の他方の面に設けられた第２の導板とを有する絶縁基板を用意する工程と、
    （ｂ）前記第１の導板に、焼結金属を介して、厚みが０．０５ｍｍ以上０．１ｍｍ以下であり、厚みの３０％以下のクラック進展深さ率を有する半導体素子を設ける工程と、
    （ｃ）前記第２の導板に、第１の接合材を介して冷却部材を接合させる工程と、
    を備える半導体装置の製造方法。
  8. （ｄ）前記半導体素子の、前記焼結金属とは反対側に第２の接合材を介してリードを接合する工程と、
    （ｅ）前記半導体素子と前記絶縁基板と前記リードとを封止樹脂で封止する工程と
    をさらに備える、請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
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