JP7017098B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、半導体装置に関する。

特許文献１には、半導体装置が開示されている。この半導体装置では、半導体素子と導体部材とがはんだを介して接合されている。

特開２０１５－１８６８１０号公報

一般に、上記のような半導体装置の製造工程では、半導体素子の電極と導体部材との間にはんだを配置し積層体を形成し、その積層体を加熱してはんだを溶融させることによって、半導体素子と導体部材とを互いに接合する。しかしながら、積層体を加熱してはんだを溶融させると、半導体素子の電極から発生するガスが、はんだの内部で凝集することによって、はんだの内部にボイドが形成されることがある。特に、半導体素子と導体部材との間に位置するはんだの溶融は、温度が上昇し易い半導体装置の周縁から中心に向かって進行していく。そのため、はんだによる接合（即ち、金属間化合物の形成）も、半導体装置の周縁から中心に向かって進行していくので、半導体装置の中心側においてはんだの内部にボイドが生じやすく、はんだの外部に放出され難い。その結果、固化後のはんだの内部において、比較的大きなボイドが形成されることがある。そこで本明細書は、半導体素子と導体部材との間を接合するはんだ層の内部に、ボイドが形成されることを抑制する技術を提供する。

本明細書が開示する半導体装置は、電極を有する半導体素子と、前記電極にはんだ層を介して接合される導体部材とを備える。電極は、平面視したときに、第１領域と、第１領域から半導体素子の周縁まで延びる第２領域とを有している。そして、第１領域においてはんだ層に接する金属層は、第２領域においてはんだ層に接する金属層よりも、融点が低い材料で形成されている。ここでいう平面視とは、半導体素子と導体部材の積層方向から観察することを意味し、当該方向における位置関係は無視される。

上記した半導体装置では、半導体素子の電極が、平面視したときに、第１領域と、第１領域から半導体素子の周縁まで延びる第２領域とを有している。その第１領域においてはんだ層に接する金属層は、第２領域においてはんだ層に接する金属層よりも、融点が低い材料で形成されている。このような構成によると、半導体素子の電極と導体部材とをはんだ付けしたときに、電極側でのはんだによる接合（即ち、金属間化合物の形成）が、はんだ層と接する金属層の融点が低い第１領域で先行し、はんだ層と接する金属層の融点が高い第２領域へと続いていく。その結果、はんだが溶融している段階において、第１領域よりも第２領域においてはんだの内部にボイドが発生しやすくなる。第２領域は、半導体素子の周縁まで延びているので、第２領域で発生したボイドは、はんだの外部へ放出され易い。これにより、半導体素子と導体部材との間を接合するはんだ層の内部にボイドが形成されることが抑制される。

実施例の半導体装置１０の内部構造を示す断面図。 半導体素子１２と下側放熱板２０との間にはんだ２８を配置した積層体５０を形成する工程を示す。 積層体５０を加熱して、はんだ２８が溶融していく過程を示す。 積層体５０を加熱して、はんだ２８が溶融していく過程を示す。 積層体５０を除熱して、はんだ２８が固化した状態を示す。

図面を参照して、実施例の半導体装置１０及び製造方法について説明をする。図１に示すように、半導体装置１０は半導体素子１２、下側放熱板２０、上側放熱板２２、導体スペーサ２４、及びモールド樹脂２６を備える。半導体素子１２は、モールド樹脂２６内に封止されている。モールド樹脂２６は、絶縁性を有する材料で構成されている。特に限定されないが、モールド樹脂２６を構成する材料は、エポキシ樹脂といった熱硬化性の樹脂材料であってもよい。

半導体素子１２は、半導体基板１４と上面電極１６と下面電極１８とを有する。半導体素子１２は、一例ではあるがＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）素子を採用することができる。但し、半導体素子１２は、ＩＧＢＴ素子に特別に限定されず、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）素子などの他のパワー半導体素子であってもよい。半導体基板１４は、例えばシリコン（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、又は窒化ガリウム（ＧａＮ）といった各種の半導体材料を用いて構成されることができる。上面電極１６は半導体基板１４の上面１４ａに位置しており、下面電極１８は半導体基板１４の下面１４ｂに位置している。上面電極１６及び下面電極１８を構成する材料には、特に限定されないが、例えばニッケル系又はその他の金属を採用することができる。

但し、下面電極１８については、一方側（図１中右側）に位置する第１領域Ａと、他方側（図１中左側）に位置する第２領域Ｂとの間で、異なる構成が採用されている。詳しくは、第１領域Ａにおいてはんだ層２８に接する金属層が、第２領域Ｂにおいてはんだ層２８に接する金属層よりも、融点が低い材料で形成されている。これは、半導体装置１０を製造する際に、はんだ層２８にボイドＸが残存することを抑制するためである。この点については、後段において詳細に説明する。一例ではあるが、第２領域Ｂにおいてはんだ層２３に接する金属層は、ニッケルであってよい。この場合、第１領域Ａにおいてはんだ層２３に接する金属層は、ニッケルよりも融点の低い銅又は亜鉛とすることができる。

導体スペーサ２４は、例えば銅又はその他の金属といった導電性を有する材料を用いて構成されることができる。導体スペーサ２４は、概して板形状あるいはブロック形状の部材であり、上面２４ａと、上面２４ａとは反対側に位置する下面２４ｂとを有する。導体スペーサ２４の下面２４ｂは半導体素子１２の上面電極１６に、はんだ層３０を介して接合されている。導体スペーサ２４の上面２４ａは、後述する上側放熱板２２の下面２２ｂに、はんだ層３２を介して接合されている。これにより、導体スペーサ２４は半導体素子１２と電気的に接続されている。導体スペーサ２４は、必ずしも必要とされないが、信号端子（不図示）を半導体素子１２に接続する際のスペースを確保する。

下側放熱板２０及び上側放熱板２２は、例えば銅又はその他の金属といった、導電性を有する材料を用いて構成されることができる。下側放熱板２０は、例えば、概して板形状あるいは直方体形状の部材であり、上面２０ａとその上面２０ａの反対側に位置する下面２０ｂとを有する。下側放熱板２０の上面２０ａは、半導体素子１２の下面電極１８にはんだ層２８を介して接合されている。これにより、下側放熱板２０は半導体素子１２と電気的に接続されている。本実施例においては、一例ではあるが、下側放熱板２０の下面２０ｂは、モールド樹脂２６の外部に露出している。ここで、本明細書が開示する技術において、下側放熱板２０は導体部材の一例である。

上側放熱板２２は、例えば、概して板形状あるいは直方体形状の部材であり、上面２２ａとその上面２２ａの反対側に位置する下面２２ｂとを有する。前述したが、上側放熱板２２の下面２２ｂは、導体スペーサ２４の上面２４ａにはんだ層３２を介して接合されている。これにより、上側放熱板２２は、導体スペーサ２４と電気的に接続され、導体スペーサ２４を介して半導体素子１２と電気的に接続されている。本実施例においては、一例ではあるが、上側放熱板２２の上面２２ａは、モールド樹脂２６の外部に露出している。下側放熱板２０及び上側放熱板２２は、半導体素子１２と熱的にも接続されており、半導体素子１２で発生した熱を外部に放出する放熱板としても機能する。即ち、本実施例の半導体装置１０はモールド樹脂２６の両面に放熱板がそれぞれ露出する両面冷却構造を有する。但し、半導体装置１０は両面冷却構造に限定されず、例えば、下側放熱板２０の下面２０ｂ、又は、上側放熱板２２の上面２２ａのいずれか一方の面が、モールド樹脂２６の外部に露出している片面冷却構造を有していてもよい。

図２―図５を参照して、半導体装置１０の製造方法について説明する。但し、ここでは特に、半導体素子１２と下側放熱板２０との間のはんだ付けについて説明する。他の構成要素を形成する工程については、公知である各種の手法を適宜用いて形成することができ、ここでは説明を省略する。先ず、図２に示すように、半導体素子１２と下側放熱板２０とを用意し、それらの間にはんだ２８を配置した積層体５０を形成する。半導体素子１２と下側放熱板２０との間に配置するはんだ２８には、例えばシート形状のはんだ材を採用することができる。ここで、はんだ２８は、前述したはんだ層２８を構成するため、同じ符号を付して説明する。

前述したように、ここで用意する半導体素子１２の下面電極１８は、第１領域Ａと第２領域Ｂとの間で、互いに異なる構成を有している。一例ではあるが、第２領域Ｂにおける下面電極１８は、積層順に、アルミニウム系金属層（例えばアルミニウム－シリコン層）、チタン層、ニッケル層、金層を有している。一方、第１領域Ａにおける下面電極１８は、積層順に、アルミニウム系金属層（例えばアルミニウム－シリコン層）、チタン層、銅層、金層を有している。即ち、第１領域Ａでは、第２領域Ｂにおけるニッケル層が、銅層に変更されている。その他の層については、第１領域Ａと第２領域Ｂとの間で共通しており、一体に形成されている。アルミニウム系金属層、チタン層、ニッケル層（又は銅層）及び金層の厚み寸法は、一例ではあるが、それぞれ約０．８μｍ、０．２μｍ、１μｍ、０．１μｍ程度であってよい。

次いで、図３－図５に示すように、半導体素子１２と下側放熱板２０との間をはんだ付けするリフロー工程を実施する。この工程では、積層体５０を例えばリフロー炉内に配置し、積層体５０を加熱してはんだ２８を溶融させ、その後に積層体５０から除熱してはんだ２８を固化させる。このリフロー工程では、例えばリフロー炉内を減圧することによって、積層体５０を減圧下において加熱してもよい。

ここで、積層体５０を加熱してはんだ２８を溶融させると、半導体素子１２の下面電極１８から発生するガスが、はんだ２８の内部で凝集することによって、はんだ２８の内部にボイドＸが形成されることがある。特に、半導体素子１２と下側放熱板２０との間に位置するはんだ２８の溶融は、温度が上昇し易い半導体装置１０の周縁から中心に向かって進行し易い。この場合、はんだ２８による接合（即ち、金属間化合物Ｋの形成）も、半導体装置１０の周縁から中心に向かって進行していくので、半導体装置１０の中心側においてはんだ２８の内部にボイドＸが生じやすく、はんだ２８の外部に放出され難い。その結果、固化後のはんだ２８の内部において、比較的大きなボイドＸが形成されてしまう。

上記課題を解決するために、半導体素子１２の下面電極１８は、第１領域Ａにおいてはんだ層２８に接する金属層（本実施例では銅層）が、第２領域Ｂにおいてはんだ層２８に接する金属層（本実施例ではニッケル層）よりも、融点が低い材料で形成されている。ここで、第２領域Ｂは、第１領域Ａに隣接するとともに、半導体素子１２の周縁まで延びている。このような構成によると、半導体素子１２の下面電極１８と下側放熱板２０とをはんだ付けしたときに、下面電極１８側でのはんだ２８による接合（即ち、金属間化合物Ｋの形成）が、はんだ層２８と接する金属層の融点が低い第１領域Ａで先行し、はんだ層２８と接する金属層の融点が高い第２領域Ｂへと続いていく（図３、図４参照）。その結果、はんだ２８が溶融している段階において、第１領域Ａよりも第２領域Ｂにおいてはんだ２８の内部にボイドＸが発生しやすくなる。第２領域Ｂは、半導体素子１２の周縁まで延びているので、第２領域Ｂで発生したボイドＸは、はんだ２８の外部へ放出され易い。これにより、半導体素子１２と下側放熱板２０との間を接合するはんだ層２８の内部にボイドＸが形成されることが抑制される。なお、前述した下面電極１８の金層については、はんだ２８による接合の際に、ニッケル層、銅層又ははんだ２８の内部に拡散し、完成した半導体装置１０では消失している。

第１領域Ａにおいてはんだ層２８に接する金属層は、銅や亜鉛に限られず、他の金属材料で構成されてもよい。同様に、第２領域Ｂにおいてはんだ層２８に接する金属層は、ニッケルに限られず、他の金属材料で構成されてもよい。第１領域Ａにおいてはんだ層２８に接する金属層が、第２領域Ｂにおいてはんだ層２８に接する金属層よりも、融点が低い材料で形成されていればよい。参考に、ニッケルの融点は１４５５℃であり、銅及び亜鉛の融点は、それぞれ１０８５℃、４２０℃である。また、第１領域Ａと第２領域Ｂとの区分についても、様々に変更することができる。平面視したときに、第２領域Ｂが、第１領域Ａから半導体素子１２の周縁まで延びていればよい。これにより、溶融したはんだ２８内に生じたボイドＸが、第１領域Ａから第２領域Ｂへと移動し、さらにはんだ２８の外部へ移動することができる。

図５に示すように、リフロー炉内を復圧し、積層体５０が除熱されてはんだ２８が固化していくと、残留する気泡やボイドＸについても消失し、又は無視できる程度まで縮小される。これにより、半導体素子１２と下側放熱板２０との間を接合するはんだ２８に、ボイドＸが形成されることが抑制される。

以上、いくつかの具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものである。

１０：半導体装置
１２：半導体素子
１４：半導体基板
１６：上面電極
１８：下面電極
２０：下側放熱板
２２：上側放熱板
２４：導体スペーサ
２６：モールド樹脂
２８、３０、３２：はんだ（層）
５０：積層体
Ｋ：金属間化合物
Ｘ：ボイド

Claims (1)

1. 電極を有する半導体素子と、
   前記電極にはんだ層を介して接合される導体部材と、を備え、
   前記電極は、平面視したときに、第１領域と、前記第１領域から前記半導体素子の周縁まで延びる第２領域とを有し、
   前記電極では、前記第１領域において前記はんだ層に接する金属層が、前記第２領域において前記はんだ層に接する金属層よりも、融点の低い材料で形成されている、
   半導体装置。

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