JP6726821B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本明細書に開示の技術は、半導体装置とその製造方法に関する。
特許文献１には、半導体チップと電極板とを接合する技術が開示されている。この技術では、電極板の表面に金属粒子を含む導電性ペーストを塗布し、その導電性ペースト上に半導体チップを載置する。その後、半導体チップを電極板に向かって加圧しながら導電性ペーストを加熱することで、導電性ペーストを硬化させる。すると、導電性ペーストが硬化することで得られる接合層によって、半導体チップと電極板が接合される。
特開２０１６−１１５８６５号公報
導電性ペーストによって半導体チップと電極板を接合する場合には、半導体チップと電極板の間で導電性ペーストを加圧しながら、導電性ペーストを加熱する必要がある。加熱によって導電性ペーストが硬化すると、接合層は半導体チップと電極板に接合される。その後、半導体チップ、接合層及び電極板を常温に戻すと、これらが温度低下に伴って収縮する。このとき、半導体チップと接合層の線膨張係数が異なるので、半導体チップに高い熱応力が加わる。特に、半導体チップの外周縁近傍に高い熱応力が加わる。半導体チップに加わる熱応力は、半導体チップの信頼性に影響する。本明細書では、導電性ペーストによって電極板と半導体チップを接合するときに、半導体チップの外周縁近傍に加わる熱応力を低減する技術を提供する。
本明細書が開示する半導体装置の製造方法は、塗布工程と、載置工程と、硬化工程を有する。前記塗布工程では、表面に凹部を有する電極板の前記凹部に隣接する特定範囲に金属粒子を含む導電性ペーストを塗布する。前記載置工程では、半導体チップの外周縁が前記凹部上に位置するように前記導電性ペースト上に前記半導体チップを載置する。前記硬化工程では、前記半導体チップを前記電極板に向かって加圧しながら前記導電性ペーストを加熱することで、前記導電性ペーストを硬化させる。
硬化工程で半導体チップを電極板に向かって加圧すると、半導体チップと電極板の間に挟まれている導電性ペーストの一部が、凹部側に流出する。流出した導電性ペーストが、半導体チップの外周縁近傍の部分と凹部の内面とに接触する。導電性ペーストは、加熱によって硬化することで、金属粒子が互いに接合された接合層となる。特定範囲と半導体チップの間では、高い圧力が加わった状態で導電性ペーストが硬化する。したがって、特定範囲と半導体チップの間では、導電性ペーストが硬化することで、空孔率が低い接合層が形成される。空孔率が低い接合層によって、特定範囲と半導体チップとが強固に接合される。他方、凹部と半導体チップの間では、導電性ペーストにそれほど高い圧力が加わらない。したがって、凹部と半導体チップの間では、導電性ペーストが硬化することで、空孔率が高い接合層が形成される。空孔率が高い接合層によって、凹部と半導体チップとが接合される。導電性ペーストの硬化後に、半導体チップ、接合層及び電極板を常温に戻すと、半導体チップに熱応力が加わる。上述したように、半導体チップの外周縁近傍に接合されている部分の接合層は、高い空孔率を有する。したがって、この部分の接合層は、熱応力に応じて変形し易い。このため、半導体チップの外周縁近傍に生じる熱応力が緩和される。以上に説明したように、この製造方法によれば、半導体チップの外周縁近傍に生じる熱応力を低減することができる。
半導体装置１０の縦断面図。 接合層１４の第１部分１４ａの断面図。 接合層１４の第２部分１４ｂの断面図。 半導体装置１０の製造工程の説明図（凹部２０周辺の拡大断面図）。 半導体装置１０の製造工程の説明図（凹部２０周辺の拡大断面図）。 半導体装置１０の製造工程の説明図（凹部２０周辺の拡大断面図）。 比較例の製造工程の説明図。 変形例の製造工程の説明図（凹部２０周辺の拡大断面図）。 変形例の製造工程の説明図（凹部２０周辺の拡大断面図）。
図１に示すように、実施形態の半導体装置１０は、半導体チップ１２、接合層１４及び電極板１６を有している。なお、半導体装置１０は、接合層１４及び電極板１６以外の配線部材（例えば、他の電極板やボンディングワイヤー）を備えているが、図１ではこれらの図示を省略している。
電極板１６は、金属によって構成された導電板である。電極板１６の上面には、凹部２０が設けられている。凹部２０は、電極板１６の上面において環状に伸びる溝である。電極板１６の上面は、凹部２０によって、中央部２２と外周部２４とに区画されている。中央部２２は、凹部２０によって囲まれた部分である。外周部２４は、凹部２０よりも外周側に位置する部分である。
半導体チップ１２は、半導体基板と、その表面に設けられた電極及び絶縁層等を備えている。図示していないが、半導体チップ１２の下面は、電極に覆われている。半導体チップ１２は、電極板１６上に配置されている。半導体チップ１２の外周縁１２ａは、凹部２０の上部に位置している。すなわち、半導体チップ１２と電極板１６をこれらの積層方向に沿って平面視したときに、外周縁１２ａ全体が凹部２０と重なるように半導体チップ１２が電極板１６上に配置されている。
接合層１４は、電極板１６と半導体チップ１２の間に配置されている。接合層１４は、電極板１６に接合されていると共に、半導体チップ１２（より詳細には、半導体チップ１２の下面を構成する電極）に接合されている。接合層１４によって、電極板１６と半導体チップ１２とが電気的に接続されている。接合層１４は、電極板１６の中央部２２と凹部２０の内面とに接合されており、外周部２４には接していない。また、接合層１４は、半導体チップ１２の下面全域に接合されている。接合層１４は、凹部２０の上部で、半導体チップ１２と電極板１６の間に露出している。接合層１４の露出している表面は、半導体チップ１２の下面に対して傾斜している。接合層１４の露出している表面は、半導体チップ１２の外周縁１２ａから、外周部２４側に向かうにしたがって（すなわち、中央部２２から遠ざかるにしたがって）凹部２０の底面側に変位している。図２、３は、接合層１４の断面を模式的に示している。図２、３に示すように、接合層１４は、金属粒子６０が互いに接続された構造を備えている。金属粒子６０の間に空孔６２が存在している。接合層１４は、第１部分１４ａと第２部分１４ｂを有している。図２が第１部分１４ａの所定位置の断面を示しており、図３が第２部分１４ｂの所定位置の断面を示している。空孔率は、単位体積あたりに占める空孔６２の割合を意味する。空孔率が高いことは、単位体積当たりに占める金属粒子６０の割合が低いこと（すなわち、金属粒子６０の密度が低いこと）を意味する。第１部分１４ａから第２部分１４ｂに向かうにしたがって、空孔率が高くなっている。したがって、第１部分１４ａの平均空孔率は、第２部分１４ｂの平均空孔率よりも低い。空孔率が高い第２部分１４ｂは、空孔率が低い第１部分１４ａよりも弾性変形し易い。図１に示すように、第１部分１４ａは電極板１６の中央部２２と半導体チップ１２との間に配置されており、第２部分１４ｂは電極板１６の凹部２０と半導体チップ１２との間に配置されている。
次に、半導体装置１０の製造方法について説明する。まず、図４に示すように、電極板１６の上面の中央部２２に、導電性ペースト３０を塗布する。導電性ペースト３０は、溶剤とその溶剤に拡散された金属粒子とを含むペーストである。ここでは、中央部２２の全域に導電性ペースト３０を塗布する。また、凹部２０と外周部２４には、導電性ペースト３０を塗布しない。
次に、図５に示すように、導電性ペースト３０上に半導体チップ１２を載置する。ここでは、中央部２２の上部全体が半導体チップ１２で覆われるとともに、半導体チップ１２の外周縁１２ａが凹部２０の上部に位置するように、半導体チップ１２を載置する。
次に、図５の矢印１００に示すように半導体チップ１２を電極板１６に向かって加圧しながら、電極板１６、導電性ペースト３０及び半導体チップ１２の積層体を加熱する。半導体チップ１２を電極板１６に向かって加圧することで、導電性ペースト３０が加圧される。このため、導電性ペースト３０が、図５の矢印１０２に示すように、半導体チップ１２と中央部２２の間の位置からその外側に流出する。流出した導電性ペースト３０は、凹部２０内に流入する。このため、図６に示すように、凹部２０の内面が導電性ペースト３０によって覆われる。すなわち、導電性ペースト３０が、凹部２０の底面と側面に接触する。なお、図６では、導電性ペースト３０が凹部２０の外周部２４側の側面に接しているが、この側面には導電性ペースト３０が接触しなくてもよい。図６に示すように、半導体チップ１２と中央部２２の間の位置からその外側に流出した導電性ペースト３０は、凹部２０の上部に位置する部分の半導体チップ１２の下面に接触する。
また、加熱によって、導電性ペースト３０から溶剤が揮発する。さらに、導電性ペースト３０が加圧された状態で加熱されることで、導電性ペースト３０に含まれる金属粒子が互いに接合する。これによって、図６に示すように、導電性ペースト３０が、接合層１４となる。ここで、中央部２２と半導体チップ１２の間に位置する導電性ペースト３０は高い圧力が加えられた状態で加熱されるので、この部分の導電性ペースト３０は空孔率が低い第１部分１４ａとなる。また、凹部２０と半導体チップ１２の間に位置する導電性ペースト３０は比較的低い圧力が加えられた状態で加熱されるので、この部分の導電性ペースト３０は空孔率が高い第２部分１４ｂとなる。また、矢印１０２に示すように導電性ペースト３０が凹部２０内に流入するので、半導体チップ１２と電極板１６の間で露出する接合層１４の表面が、半導体チップ１２の外周縁１２ａから外周部２４側に向かうにしたがって凹部２０の底面側に変位するように傾斜した形状となる。
その後、電極板１６、導電性ペースト３０及び半導体チップ１２の積層体を常温まで冷却すると、電極板１６、導電性ペースト３０及び半導体チップ１２のそれぞれが収縮する。電極板１６、接合層１４及び半導体チップ１２のそれぞれの線膨張係数が異なるので、これらの収縮量が異なる。このため、半導体チップ１２に熱応力が加わる。半導体チップ１２の外周部（すなわち、外周縁１２ａ近傍の部分）では、半導体チップ１２の中央部よりも高い熱応力が生じやすい。しかしながら、この製造方法では、半導体チップ１２の外周部に、空孔率が高い接合層１４の第２部分１４ｂが接合されている。第２部分１４ｂは、空孔率が高いので、弾性変形し易い。第２部分１４ｂが弾性変形することで、半導体チップ１２の外周部に加わる熱応力が緩和される。したがって、この製造方法によれば、半導体チップ１２の信頼性を向上させることができる。また、高い熱応力が生じ難い半導体チップ１２の中央部は、接合層１４の第１部分１４ａによって電極板１６に強固に接合される。したがって、半導体チップ１２と電極板１６の間で十分に高い接合強度を得ることができる。
なお、図７は、電極板１６の上面が平坦な場合（すなわち、凹部２０が設けられていない場合）に、接合層１４（すなわち、導電性ペースト３０）を介して電極板１６と半導体チップ１２を接合した場合を示している。電極板１６の上面が平坦な場合には、加圧によって半導体チップ１２と電極板１６の間の範囲から外側に流出した導電性ペースト３０が、半導体チップ１２の外周縁１２ａに隣接する位置で上側に盛り上がり、凸部１２０を形成する。凸部１２０が半導体チップ１２の外周縁１２ａに接触する場合があり、半導体チップ１２の内部の素子が短絡する場合がある。また、凸部１２０が形成されると、応力によって凸部１２０にクラックが生じ易くなる。凸部１２０に生じたクラックが半導体チップ１２と電極板１６の間の領域まで進展すると、接合層１４の電気抵抗の上昇等が生じる。これに対し、上述した製造方法により製造された半導体装置１０では、接合層１４の表面が、半導体チップ１２の外周縁１２ａから外周部２４側に向かうにしたがって凹部２０の底面側に変位するように傾斜した形状となる。この形状によれば、接合層１４が半導体チップ１２の外周縁１２ａに接触することを抑制することができる。したがって、半導体チップ１２の内部の素子の短絡を抑制することができる。また、この形状では、接合層１４にクラックが生じ難く、接合層１４の電気抵抗の上昇を抑制することができる。
なお、一般に、はんだを用いて半導体チップを電極板に接続する技術が知られている。このような技術において、電極板の表面にはんだが必要以上に濡れ広がることを防止するために、電極板の表面に凹部を形成する場合がある。このような凹部は、通常、半導体チップの外周縁よりも外側に設けられる。これに対し、本明細書で開示する導電性ペースト用の凹部は、その上部に半導体チップの外周縁が位置するように用いられる。このように凹部を用いることで、凹部内に導電性ペーストを流入させて導電性ペーストの範囲を広げることができる。なお、本明細書で開示する凹部も、導電性ペーストが、特定範囲から凹部を超えて外側に広がることを抑制する機能を副次的に有する。
なお、上記の製造方法において、製造ばらつきによって、凹部２０内に流入する導電性ペースト３０の量が過大となる場合がある。このような現象が生じる場合には、図８、９に示すように、導電性ペースト３０を硬化させる工程において、凹部２０上に治具８０を設置してもよい。治具８０は、半導体チップ１２の外周縁１２ａに近接して配置され、導電性ペースト３０が上側に盛り上がることを防止する。また、治具８０と電極板１６の外周部２４の間には隙間が設けられ、導電性ペースト３０が外周部２４側に流れることを許容する。導電性ペースト３０の凹部２０内への流入量が多い場合には、図８、９の矢印１０４に示すように、凹部２０から外周部２４上へ導電性ペースト３０が流れる。このため、凹部２０上で導電性ペースト３０が上側に盛り上がることが防止される。したがって、この場合でも、半導体チップ１２の外周縁１２ａに隣接する部分の接合層１４の表面が、外周部２４側に向かうにしたがって凹部２０の底面側に変位する形状となる。このため、接合層１４が外周縁１２ａに接触することを抑制することができると共に、接合層１４にクラックが生じることを抑制することができる。
本明細書が開示する技術要素について、以下に列記する。なお、以下の各技術要素は、それぞれ独立して有用なものである。
本明細書が開示する一例の製造方法においては、導電性ペーストを塗布する工程では凹部の底面に導電性ペーストを塗布せず、導電性ペーストを硬化させる工程では特定範囲から凹部内に流入した導電性ペーストが凹部の底面に接触してもよい。
この構成によれば、半導体チップの外周縁に隣接する部分の接合層の表面が、特定範囲から遠ざかるにしたがって凹部の底面側に変位するように半導体チップの下面に対して傾斜している形状となる。このため、接合層にクラックが生じ難くなる。
本明細書が開示する一例の半導体装置は、電極板と、接合層と、半導体チップを有する。電極板は、表面に、凹部と前記凹部に隣接する特定範囲を有する。前記接合層は、前記特定範囲から前記凹部に跨る範囲を覆っているとともに金属によって構成されている。前記半導体チップは、前記特定範囲と前記凹部に対向するように配置されており、前記特定範囲上及び前記凹部上で前記接合層に接合されており、外周縁が前記凹部上に位置する。前記凹部上の前記接合層の空孔率が、前記特定範囲上の前記接合層の空孔率よりも高い。
この半導体装置では、半導体チップの外周縁と電極板の凹部の間を接合する接合層の空孔率が高いので、半導体チップの外周縁に加わる熱応力を抑制することができる。
本明細書が開示する一例の半導体装置では、半導体チップの外周縁に隣接する部分の接合層の表面が、特定範囲から遠ざかるにしたがって凹部の底面側に変位するように半導体チップの下面に対して傾斜していてもよい。
この構成によれば、接合層にクラックが生じ難くなる。
以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。
１０ ：半導体装置
１２ ：半導体チップ
１２ａ ：外周縁
１４ ：接合層
１４ａ ：第１部分
１４ｂ ：第２部分
１６ ：電極板
２０ ：凹部
２２ ：中央部
２４ ：外周部
３０ ：導電性ペースト
６０ ：金属粒子

Claims (1)

  1. 表面に凹部を有する電極板の前記凹部に隣接する特定範囲に金属粒子を含む導電性ペーストを塗布する工程と、
    半導体チップの外周縁が前記凹部上に位置するように前記導電性ペースト上に前記半導体チップを載置する工程と、
    前記半導体チップを前記電極板に向かって加圧しながら前記導電性ペーストを加熱することで、前記導電性ペーストを硬化させる工程、
    を有し、
    前記導電性ペーストを塗布する前記工程では、前記凹部の底面に前記導電性ペーストを塗布せず、
    前記導電性ペーストを硬化させる前記工程では、前記特定範囲から前記凹部内に流入した前記導電性ペーストが前記凹部の前記底面に接触する、
    製造方法。
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