JP6452748B2 - 積層部材の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置に用いられる積層部材に関し、特に半導体チップと放熱板との間に配置される積層部材に関する。
近年、半導体モジュール等の半導体装置の実装において高密度化が進んでいる。このような半導体モジュールでは放熱板を設け、その放熱板を介して電子部品等で発生した熱が放熱されるようになっている。
図６は、半導体モジュールの要部を示す断面図である。半導体モジュールは、アルミニウムや銅製の放熱ベース上に導電パターン付絶縁基板が固着された放熱板（図示せず）と、導電パターン上に固着された銅製の外部導出用端子４１と、例えばサイリスタやダイオード等の半導体チップ２０と、外部導出用端子４１と半導体チップ２０との間に半田３１、３２を介して配置された積層部材１０２とを有している。
図７の（ａ）は、半導体チップ２０の一例の要部を示す平面図であり、図７の（ｂ）は、（ａ）に示すＢ−Ｂ線の断面図である。半導体チップ２０は板状体であり、その上面には中央部に四角形の電極２１ａと、電極２１ａの周縁に耐圧維持構造として四角形状のメサ溝２１ｂと、メサ溝２１ｂの周縁に四角形状のチップ外周部２１ｃとが形成されている。半導体チップはメサ溝の途中で切断し、チップ外周部が省略されたものでもよい。また、半導体チップ２０の下面にも中央部に四角形の電極２２ａと、電極２２ａの周縁に四角形状のメサ溝２２ｂと、メサ溝２２ｂの周縁に四角形状のチップ外周部２２ｃとが形成されている。そして、メサ溝２１ｂ、２２ｂには保護ガラスが塗布されている。なお、半導体チップは、四角形状に限定されるものではなく、円形でもよい。
このような半導体チップ２０の材料にはシリコンが用いられている。このシリコンの線熱膨張率（以下「熱膨張率」という）は２．４×１０−６／℃であるが、銅の熱膨張率は１６.７×１０−６／℃であり、銅の熱膨張率はシリコンの熱膨脹率に比して約６倍と大きい。このため、半導体チップ２０を直接外部導出用端子４１に半田付けすると、熱膨張率の違いからクラックの発生や変形が惹起されるという問題がある。
そこで、外部導出用端子４１と半導体チップ２０との間には、熱膨脹率が５．５×１０−６／℃であるモリブデン製のディスクが半田３１、３２を介して配置されたりしている。しかし、モリブデン製のディスクは高価であるため、熱膨張率の違いに基づく変形を補償する三層構造の積層部材が提案されている（例えば特許文献１参照）。三層構造の積層部材として、図６に示すような上側銅層１１１と中間低熱膨張係数層１１０と下側銅層１１２とからなる「ＣＩＣ」等が開発されている。
また、メサ型の半導体チップ２０ではメサ溝２２ｂと導電体との間で放電して耐圧維持構造が破壊しないように、メサ溝２２ｂと導電体との間の距離を所定距離以上にする必要がある。そのため、メサ溝２２ｂの下方に上側銅層１１１が存在しないように、平面視で積層部材１０２の大きさ（面積）が半導体チップ２０の電極２２ａの大きさ（面積）と同じとなるものが選択され用いられている。
ところで、積層部材１０２を介して外部導出用端子４１に固着された半導体チップ２０では、その周縁部が水平方向に突出するものとなるので、組み立てられる際に、外部導出用端子４１に対して積層部材１０２の半田付けの配置がずれる等して、半導体チップ２０の周縁部と外部導出用端子４１等とが接触することがある。半導体チップ２０の上面と外部導出用端子４１等とが接触すると、半導体チップ２０の上面から外部導出用端子４１等に電流が流れてしまう。
そこで、積層部材１０２の外周に平面視で半導体チップ２０の外周より大きくなる位置規制用リング１１３を取り付けたものも開発されている。図８は、半導体モジュールの要部を示す断面図である。これにより、外部導出用端子４１に対して積層部材１０２の半田付け配置がずれる等しても、半導体チップ２０と外部導出用端子４１等とが接触することを防止している。なお、外部導出用端子４１と積層部材１０２とが接触しても、外部導出用端子４１と半導体チップ２０の下面とは等電位のため電流が流れることはない。
しかしながら、上述したような位置規制用リング１１３を取り付けた積層部材１０２は、位置規制用リング１１３を作製する手間がかかる上に、位置規制用リング１１３を積層部材１０２の外周に取り付ける手間がかかった。つまり、部品点数と製造工程とが増えるという問題点があった。
そこで、本発明は、上述した如き課題に鑑みてなされたものであり、部品点数を増やさず、半導体チップと外部導出用端子等とが接触することを防止することができる積層部材を提供することを目的とする。
そこで、本発明は、上述した如き課題に鑑みてなされたものであり、部品点数を増やさず、半導体チップと外部導出用端子等とが接触することを防止することができる積層部材を提供することを目的とする。
以上のような目的を達成するために、本発明に係る積層部材は、半導体チップの電極が接合される搭載領域と当該搭載領域の周縁領域とが上面に形成された上側高熱伝導層と、放熱板に接合される接合領域と当該接合領域の周辺領域とが下面に形成された下側高熱伝導層と、前記上側高熱伝導層と前記下側高熱伝導層との間に設けられた中間低熱膨張係数層とを備える三層構造の積層部材であって、平面視で前記積層部材は前記半導体チップより大きくなっており、且つ前記周縁領域の高さ位置は前記搭載領域の高さ位置より下方の所定距離に存在し、前記接合領域の周辺領域の高さ位置は前記接合領域の高さ位置より上方の所定距離に存在していることを特徴とする。
ここで、「所定距離」とは、本発明では平面視で積層部材は半導体チップより大きくなっておりメサ溝等の下方に上側高熱伝導層が配置されることになるので、メサ溝等と上側高熱伝導層との間で放電することを防止するための距離のことをいう。
このような本発明に係る積層部材によれば、平面視で積層部材は半導体チップより大きくなっているため、半導体チップと外部導出用端子等とが接触することを防止することができる。また、位置規制用リングを作製する手間も位置規制用リングを外周に取り付ける手間もなくなる。また、詳細は後述するが上下から押しつぶして製造することができるため、中間低熱膨張係数層が極端に細くなる箇所や折れ部等が形成されず、熱応力が均等になり反りが発生しないものとなる。
上記発明においては、前記下面の形状と前記上面の形状とが水平面で面対称となることが好ましい。
このような本発明に係る積層部材によれば、製造工程で積層体の両端を上方と下方とから押しつぶした際に上方からの変形量と下方からの変形量とで半分ずつで済み、中間低熱膨張係数層が極端に細くなる箇所や折れ部等が形成されない。そのため、熱伝導に関与する部分の熱抵抗の変化も少なくなり、横幅が大きくなっても反り等の変形することを防止することができる。これにより、横幅を大きくしても積層部材の冷却性や電気的特性（電流密度）が劣化することを防止することができる。
上記発明においては、前記周縁領域は、平面視で四角形又は円形であり、前記搭載領域は、平面視で前記周縁領域の中心に位置する四角形又は円形であることが好ましい。
このような本発明に係る積層部材によれば、四方からの接触を防止することができる。
上記発明においては、前記半導体チップは、前記電極を囲む耐圧維持構造が形成されていることが好ましい。
上記発明においては、前記耐圧維持構造は、メサ構造であることが好ましい。
上記発明においては、前記耐圧維持構造は、ガードリング構造であることが好ましい。
上記発明においては、前記耐圧維持構造は、フィールドプレート構造であることが好ましい。
上記発明においては、前記耐圧維持構造は、メサ構造であることが好ましい。
上記発明においては、前記耐圧維持構造は、ガードリング構造であることが好ましい。
上記発明においては、前記耐圧維持構造は、フィールドプレート構造であることが好ましい。
本発明に係る積層部材によれば、平面視で積層部材は半導体チップより大きくなっているため、半導体チップと外部導出用端子等とが接触することを防止することができる。また、位置規制用リングを作製する手間も位置規制用リングを積層部材の外周に取り付ける手間もなくなる。
以下に、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。
（参考例）
＜半導体モジュール＞
図４は、半導体モジュールの要部を示す断面図である。なお、鉛直方向をZ方向とし、Z方向に垂直な一方向をX方向とし、Z方向及びX方向に垂直な方向をY方向とする。
半導体モジュールは、アルミニウムや銅製の放熱ベース上に導電パターン付絶縁基板が固着された放熱板（図示せず）と、導電パターン上に固着された外部導出用端子４１と、例えばサイリスタやダイオード等の半導体チップ２０と、外部導出用端子４１と半導体チップ２０との間に半田３１、３２を介して配置された積層部材１０１とを有している。
＜半導体モジュール＞
図４は、半導体モジュールの要部を示す断面図である。なお、鉛直方向をZ方向とし、Z方向に垂直な一方向をX方向とし、Z方向及びX方向に垂直な方向をY方向とする。
半導体モジュールは、アルミニウムや銅製の放熱ベース上に導電パターン付絶縁基板が固着された放熱板（図示せず）と、導電パターン上に固着された外部導出用端子４１と、例えばサイリスタやダイオード等の半導体チップ２０と、外部導出用端子４１と半導体チップ２０との間に半田３１、３２を介して配置された積層部材１０１とを有している。
＜凸型積層部材＞
積層部材１０１は、上側高熱伝導層１２１と中間低熱膨張係数層１２０と下側高熱伝導層１２２とからなる三層構造の積層体である。
積層部材１０１は、上側高熱伝導層１２１と中間低熱膨張係数層１２０と下側高熱伝導層１２２とからなる三層構造の積層体である。
積層部材１０１は、前方（Ｘ方向）から見ると中央部の厚さが厚くなっており、左部の厚さと右部の厚さとが薄くなっている凸型形状をしている。具体的には、左部の上面と右部の上面とは、中央部の上面の高さより下方の所定距離Ｌ２に存在している。また、積層部材１０１は、左方（Ｙ方向）から見ると中央部の厚さが厚くなっており、前部の厚さと後部の厚さとが薄くなっている凸型形状をしている。具体的には、前部の上面と後部の上面とは、中央部の上面の高さより下方の所定距離Ｌ２に存在している。
積層部材１０１は、上方（Ｚ方向）から見ると四角形の搭載領域と、搭載領域の周縁に形成された四角形状の周縁領域とを有する。搭載領域は、取り付けられる半導体チップ２０の電極２２ａと同じ形状となるように形成されている。積層部材１０１は、下方（−Ｚ方向）から見ると全面となる四角形の搭載領域を有する。そして、積層部材１０１の外周は、取り付けられる半導体チップ２０の外周より大きくなっている。
ここで、積層部材１０１を作製する作製方法について説明する。積層部材１０１は、三層構造の積層体の周縁領域が上方から押しつぶされることで製造される。
積層体の周縁領域が上方から変位量Ｌ２で押しつぶされると、図４に示す積層部材１０１が作製される。積層部材１０１は、中央部で厚さｌ１の上側高熱伝導層１２１と厚さｌ１の中間低熱膨張係数層１２０と厚さｌ１の下側高熱伝導層１２２とを有し、左部と右部と前部と後部とで厚さｌ１’の上側高熱伝導層１２１と厚さｌ１’の中間低熱膨張係数層１２０と厚さｌ１’の下側高熱伝導層１２２とを有する。本例では、上側高熱伝導層１２１と中間低熱膨張係数層１２０と下側高熱伝導層１２２を同じ厚みで表しているが、中間熱膨張係数層１２０を異なる厚みにしてもよい。
しかしながら、積層部材１０１では、熱応力による反り等の変形が生じる可能性がある（図５参照）。そして、積層部材１０１の下面と外部導出用端子４１との間にボイドが生じると、積層部材１０１と外部導出用端子４１との接合面積の減少により、冷却性や電気的特性（電流密度）が劣化することがあった。そこで、熱応力による反り等の変形を防ぐことができる積層部材について検討し、下記の十字形状積層部材を見出した。
（第一実施形態）
＜十字形状積層部材＞
図１の（ａ）は、積層部材の要部を示す平面図であり、図１の（ｂ）は、（ａ）に示すＡ−Ａ線の断面図である。なお、鉛直方向をZ方向とし、Z方向に垂直な一方向をX方向とし、Z方向及びX方向に垂直な方向をY方向とする。積層部材１００は、上側高熱伝導層１１と中間低熱膨張係数層１０と下側高熱伝導層１２とからなる三層構造の積層体である。
＜十字形状積層部材＞
図１の（ａ）は、積層部材の要部を示す平面図であり、図１の（ｂ）は、（ａ）に示すＡ−Ａ線の断面図である。なお、鉛直方向をZ方向とし、Z方向に垂直な一方向をX方向とし、Z方向及びX方向に垂直な方向をY方向とする。積層部材１００は、上側高熱伝導層１１と中間低熱膨張係数層１０と下側高熱伝導層１２とからなる三層構造の積層体である。
中間低熱膨張係数層１０は例えば鉄とニッケルとの合金、ニッケルと鉄とコバルトとの合金等があり、特定の比率の鉄とニッケルの合金であるインバー（登録商標）を例に説明をする。なお、インバーの熱膨張率は１.５×１０−６／℃である。
また、高熱伝導層１１、１２は、例えば銀、銅、カーボンナノチューブ等があり、銅を例に説明する。
また、高熱伝導層１１、１２は、例えば銀、銅、カーボンナノチューブ等があり、銅を例に説明する。
積層部材１００は、前方（Ｘ方向）から見ると中央部の厚さが厚くなっており、左部の厚さと右部の厚さとが薄くなっている十字形状をしている。具体的には、左部の上面と右部の上面とは、中央部の上面の高さより下方の所定距離Ｌ１に存在するとともに、左部の下面と右部の下面とは、中央部の下面の高さより上方の所定距離Ｌ１に存在している。つまり、前方（Ｘ方向）から見ると下面の形状と上面の形状とが中央水平面ＣＰで面対称となっている。
また、積層部材１００は、左方（Ｙ方向）から見ると中央部の厚さが厚くなっており、前部の厚さと後部の厚さとが薄くなっている十字形状をしている。具体的には、前部の上面と後部の上面とは、中央部の上面の高さより下方の所定距離Ｌ１に存在するとともに、前部の下面と後部の下面とは、中央部の下面の高さより上方の所定距離Ｌ１に存在している。つまり、左方（Ｙ方向）から見ても下面の形状と上面の形状とが中央水平面ＣＰで面対称となっている。
積層部材１００は、上方（Ｚ方向）から見ると四角形の搭載領域１１ａと、搭載領域１１ａの周縁に形成された四角形状の周縁領域１１ｂとを有する。搭載領域１１ａは、取り付けられる半導体チップ２０の電極２２ａと同じ形状となるように形成されている。また、積層部材１００は、下方（−Ｚ方向）から見ると四角形の接合領域１２ａと、接合領域１２ａの周縁に形成された四角形状の周縁領域１２ｂとを有する。接合領域１２ａは、搭載領域１１ａと同じ形状となっている。そして、積層部材１００の外周は、取り付けられる半導体チップ２０の外周より大きくなっている。平面視における積層部材１００の大きさ（面積）は、取り付けられる半導体チップ２０の大きさ（面積）にもよるが、取り付けられる半導体チップ２０と半導体チップ２０の周囲に配置される電子部品とが確実に接触しなくなるように形成されることが好ましい。
ここで、積層部材１００を作製する作製方法について説明する。積層部材１００は、三層構造の積層体の周縁領域が上方と下方とから同時に押しつぶされることで製造される。図２の（ａ）は、押しつぶされる前となる三層構造の積層体の断面図であり、図２の（ｂ）は、押しつぶされた後となる積層部材１００の断面図である。
図２の（ａ）に示す積層体１００’は、厚さｌ１の上側銅層１１’と厚さｌ１のインバー層１０’と厚さｌ１の下側銅層１２’とを有する。このような積層体１００’の周縁領域が上方と下方とから同時に変位量Ｌ１で押しつぶされると、図２の（ｂ）に示す積層部材１００が作製される。積層部材１００は、中央部で厚さｌ１の上側銅層１１と厚さｌ１のインバー層１０と厚さｌ１の下側銅層１２とを有し、左部と右部と前部と後部とで厚さｌ１’の上側銅層１１と厚さｌ１’のインバー層１０と厚さｌ１’の下側銅層１２とを有する。中央部に存在するインバー層１０の中央水平面と、左部と右部と前部と後部とに存在するインバー層１０の中央水平面とは、同一の水平面ＣＰとなり、インバー層１０中に捻じれたりする部分は全く存在しない。このように積層部材を上下から同じ変位量で押しつぶして形成するので、水平面に面対称となる形状になるため、熱応力が均等になり反りが発生しない。これにより、Ｘ方向及びＹ方向における積層部材１００の長さを大きくしても積層部材１００の冷却性や電気的特性（電流密度）が劣化することを防止することができる。本例では、上側銅層１１とインバー層１０と下側銅層１２を同じ厚みで表しているが、インバー層１０を異なる厚みにしてもよい。
＜半導体モジュール＞
図３は、半導体モジュールの要部を示す断面図である。半導体モジュールは、アルミニウムや銅製の放熱ベース上に導電パターン付絶縁基板が固着された放熱板（図示せず）と、導電パターン上に固着された外部導出用端子４１と、例えばサイリスタやダイオード等の半導体チップ２０と、外部導出用端子４１と半導体チップ２０との間に半田３１、３２を介して配置された実施形態１に係る積層部材１００とを有している。
図３は、半導体モジュールの要部を示す断面図である。半導体モジュールは、アルミニウムや銅製の放熱ベース上に導電パターン付絶縁基板が固着された放熱板（図示せず）と、導電パターン上に固着された外部導出用端子４１と、例えばサイリスタやダイオード等の半導体チップ２０と、外部導出用端子４１と半導体チップ２０との間に半田３１、３２を介して配置された実施形態１に係る積層部材１００とを有している。
実施形態に係る積層部材１００によれば、平面視で積層部材１００の大きさ（面積）は半導体チップ２０の大きさ（面積）より大きくなっているため、半導体チップ２０と外部導出用端子４１等とが接触することを防止することができる。また、位置規制用リングを作製する手間も位置規制用リングを外周に取り付ける手間もなくなる。
（第二実施形態）
第一実施形態においては、積層部材１００に半田付けされる半導体チップ２０として下面に「メサ構造」が形成されたものが使用された場合について述べたが、これに限定されるものではなく、半導体チップ２０として下面にプレーナー型の耐圧維持構造（ガードリング構造やフィールドプレート構造）が形成されたものが使用されるように構成してもよい。図９の（ａ）は、ガードリング構造の半導体チップが積層部材に半田付けされた場合の図であり、図９の（ｂ）は、フィールドプレート構造の半導体チップが積層部材に半田付けされた場合の図である。ガードリング構造は、電極の周縁の酸化膜の下に不純物拡散層が形成された構造であり、フィールドプレート構造は、電極の周縁の酸化膜の上まで電極が延長された構造である。
第一実施形態においては、積層部材１００に半田付けされる半導体チップ２０として下面に「メサ構造」が形成されたものが使用された場合について述べたが、これに限定されるものではなく、半導体チップ２０として下面にプレーナー型の耐圧維持構造（ガードリング構造やフィールドプレート構造）が形成されたものが使用されるように構成してもよい。図９の（ａ）は、ガードリング構造の半導体チップが積層部材に半田付けされた場合の図であり、図９の（ｂ）は、フィールドプレート構造の半導体チップが積層部材に半田付けされた場合の図である。ガードリング構造は、電極の周縁の酸化膜の下に不純物拡散層が形成された構造であり、フィールドプレート構造は、電極の周縁の酸化膜の上まで電極が延長された構造である。
本発明に係る積層部材は、平面視で積層部材は半導体チップより大きくなっているため、半導体チップと外部導出用端子等とが接触することを防止することができるので、半導体チップと放熱板との間に配置される積層部材等として有用である。
１０ 中間低熱膨張係数層
１１ 上側銅層
１１ａ 搭載領域
１１ｂ 周縁領域
１２ 下側銅層
２０ 半導体チップ
４１ 外部導出用端子
１００ 積層部材
１１ 上側銅層
１１ａ 搭載領域
１１ｂ 周縁領域
１２ 下側銅層
２０ 半導体チップ
４１ 外部導出用端子
１００ 積層部材
Claims (8)
- 上面中央部に半導体チップの電極が接合される搭載領域と当該搭載領域の周縁領域とが形成された均一な厚みを有する上側高熱伝導層と、
下面中央部に放熱板に接合される接合領域と当該接合領域の周辺領域とが形成された均一な厚みを有する下側高熱伝導層と、
前記上側高熱伝導層と前記下側高熱伝導層との間に設けられた均一な厚みを有する中間低熱膨張係数層とを備え、
平面視で前記半導体チップの外周より大きな三層構造の積層部材の製造方法であって、
前記積層部材の周辺領域を上方と下方とから同時に押しつぶし、
前記上側高熱伝導層の前記周縁領域の高さ位置は前記搭載領域の高さ位置より下方の所定距離に存在し、前記下側高熱伝導層の前記接合領域の周辺領域の高さ位置は前記接合領域の高さ位置より上方の所定距離に存在し、前記中間低熱膨張係数層の前記周辺領域の上面の高さ位置は前記中央領域の前記上面より下方の所定距離に存在し、前記中間熱膨張係数層の前記周辺領域の前記下面の高さ位置は前記中央領域の前記下面より上方の所定距離に存在するように、
前記各層の前記中央部の厚さより、前記各層の周辺領域の厚さを薄くして製造することを特徴とする積層部材の製造方法。 - 前記上側高熱伝導層の前記周縁領域の厚みは前記中央部の厚みよりも薄く構成し、
前記下側高熱伝導層の前記周縁領域の厚みは前記中央部の厚みよりも薄く構成し、
前記中間低熱膨張係数層の前記周縁領域の厚みは前記中央部の厚みよりも薄く、構成することを特徴とする請求項１に記載の積層部材の製造方法。 - 前記下面の形状と前記上面の形状とが水平面で面対称となることを特徴とする請求項１〜請求項２に記載の積層部材の製造方法。
- 前記周縁領域は、平面視で四角形又は円形であり、
前記搭載領域は、平面視で前記周縁領域の中心に位置する四角形又は円形であることを特徴とする請求項１〜請求項３に記載の積層部材の製造方法。 - 前記半導体チップは、前記電極を囲む耐圧維持構造が形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の積層部材の製造方法。
- 前記耐圧維持構造は、メサ構造であることを特徴とする請求項５記載の積層部材の製造方法。
- 前記耐圧維持構造は、ガードリング構造であることを特徴とする請求項５記載の積層部材の製造方法。
- 前記耐圧維持構造は、フィールドプレート構造であることを特徴とする請求項５記載の積層部材の製造方法。
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