JP7263792B2 - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、半導体素子をヒートシンク等の基材に接合する半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device in which a semiconductor element is bonded to a base material such as a heat sink.
半導体装置は、半導体素子に設けられた電極に、例えば半導体素子を制御する回路基板が電気的に接続されるとともに、接合部材によって放熱用のヒートシンク等の基材と接合される。このとき、半導体素子、接合部材、ヒートシンク等の構成部材はそれぞれ熱膨張係数が異なることから、温度変化によって歪みが生じ、その歪みは接合部材に亀裂を発生させることもある。
この亀裂の発生を防止するために、接合部材の供給量を増やし、半導体素子と基材との接合部を厚く形成して歪みを緩和する技術が知られている。しかし、無加圧で接合を行う半導体装置においては、接合部材の供給量を増やすことにより接合部の厚さが不均一となるため、熱衝撃試験時の信頼性が低下するおそれがあった。
この対策の一つとして、はんだに濡れない金属ワイヤ等を金属板上に配置して接合部の厚さを確保する技術が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
A semiconductor device is electrically connected to, for example, a circuit board that controls the semiconductor element, to electrodes provided on the semiconductor element, and is joined to a base material such as a heat sink for heat dissipation by a joining member. At this time, since the constituent members such as the semiconductor element, the bonding member, and the heat sink have different coefficients of thermal expansion, strain occurs due to temperature changes, and the strain may cause cracks in the bonding member.
In order to prevent the occurrence of cracks, a technique is known in which the amount of bonding material supplied is increased and the bonding portion between the semiconductor element and the substrate is formed thicker to alleviate the strain. However, in a semiconductor device that is bonded without pressure, increasing the supply amount of the bonding material makes the thickness of the bonding portion uneven, which may reduce the reliability during the thermal shock test.
As one of countermeasures against this problem, a technique has been disclosed in which a metal wire or the like that is not wetted by solder is placed on a metal plate to ensure the thickness of the joint (see, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-200013).
しかしながら、はんだに濡れない金属ワイヤを接合部に設けることによって接合部の厚さは確保できるものの、接合部材と金属ワイヤとの接合性が悪いため、未接合領域が形成され、この未接合領域が熱衝撃試験時の亀裂のきっかけとなるおそれがあるという課題があった。 However, although the thickness of the joint can be ensured by providing the joint with a metal wire that does not get wet with solder, the bondability between the joint member and the metal wire is poor. There was a problem that it might trigger cracks during the thermal shock test.
本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、接合部の厚さの均一性を確保できるとともに、接合性を向上できる半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a semiconductor device and a method of manufacturing a semiconductor device that can ensure uniformity in the thickness of the joint and improve the joint property. do.
本発明にかかる半導体装置は、基材と、前記基材上に搭載され、前記基材側の面に電極を有する半導体素子と、前記半導体素子のパターンが形成された面から前記電極が形成された面に向かって、前記電極を切断する切断加工によって形成され、前記電極の端面に前記基材方向に突出し、対向して少なくとも一対となる突起と、前記突起及び前記電極を覆うように金属焼結材によって前記基材上に形成された接合部とを備えたものである。
A semiconductor device according to the present invention comprises a substrate, a semiconductor element mounted on the substrate and having an electrode on a surface facing the substrate, and the electrode formed from a patterned surface of the semiconductor element. At least one pair of protrusions formed by cutting the electrode toward the surface of the electrode, protruding in the direction of the base material on the end surface of the electrode and facing each other, and a metal firing so as to cover the protrusion and the electrode. and a joint formed on the base material by a binder.
また、本発明にかかる半導体装置の製造方法は、ウェハの一方の面に半導体素子のパターンを形成するパターン形成工程と、前記ウェハの他方の面に前記半導体素子の電極を形成する電極形成工程と、前記半導体素子のパターン側から前記電極の手前まで前記半導体素子及び前記ウェハを溝加工して溝を形成する溝形成工程と、前記溝形成工程より加工速度を上げて前記溝から前記電極を切断加工し突起を形成する突起形成工程と、前記突起を有する前記半導体素子を取り出す工程と、基材上に金属焼結材ペーストを塗布し、前記金属焼結材ペースト上に前記突起を配置させて取り出した前記半導体素子を搭載する半導体素子搭載工程と、前記金属焼結材ペーストを加熱し、前記金属焼結材ペーストが焼結された金属焼結材を前記突起の内側に充填して前記基材と前記半導体素子の前記電極とを接合する接合工程と、前記半導体素子のパターンをリードフレームと接続する接続工程と、前記半導体素子を前記リードフレーム及び前記基材の少なくとも一部とともに封止する封止工程とを備えたものである。 A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a pattern forming step of forming a pattern of semiconductor elements on one surface of a wafer, and an electrode forming step of forming electrodes of the semiconductor elements on the other surface of the wafer. a groove forming step of forming a groove by processing the semiconductor element and the wafer from the pattern side of the semiconductor element to the front of the electrode; and cutting the electrode from the groove at a higher processing speed than the groove forming step. a projection forming step of forming projections by processing; a step of taking out the semiconductor element having the projection; applying a sintered metal material paste on a base material; a semiconductor element mounting step of mounting the semiconductor element taken out; heating the metal sintered material paste; a bonding step of bonding the material and the electrodes of the semiconductor element; a connecting step of connecting the pattern of the semiconductor element to a lead frame; and sealing the semiconductor element together with at least part of the lead frame and the base material. and a sealing step.
本発明によれば、接合部の厚さ、及び厚さの均一性を確保できるとともに、接合性を向上できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, while the thickness of a junction part and the uniformity of thickness can be ensured, bondability can be improved.
実施の形態1.
上述のとおり、はんだに濡れない金属ワイヤと接合部材の接合性が悪いため、本発明の実施の形態1においては、長辺及び短辺を有する半導体素子1の一方の面に形成された電極9の短辺側の端面に、一対となるよう2つの突起8をめっき処理により形成し、金属焼結材ペーストを用いて無加圧で基材4と焼結接合した。
As described above, since the bondability between the metal wire that does not get wet with solder and the bonding member is poor, in the first embodiment of the present invention, the
図1は、本発明の実施の形態1にかかる半導体装置を示す概略構成図であり、図1(a)はリードフレーム6上にモールド樹脂7を備えた半導体装置100、図1(b)は、図1(a)の半導体装置100からモールド樹脂7を取り除いた半導体装置100内部、及び図1(c)は図1(a)のA-A断面を示す。
1A and 1B are schematic configuration diagrams showing a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention, FIG. , the inside of the
図1(b)に示すように、基材4となるCu製のヒートシンクと、半導体素子1、例えばSi製のLDMOS(Lateral Double Diffused Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)の裏面に形成された後述するAu製の電極9とが、Ag焼結材等の金属焼結材ペーストを焼結させて金属焼結材とした接合部3を介して接続される。また、例えば高周波通信用半導体装置において高周波特性の整合を取るための回路基板2、例えばMIC(Microwave Integrated Circuit)基板も接合部3を介して基材4に接続される。
As shown in FIG. 1B, a heat sink made of Cu as a
半導体素子1の電極パターン及び回路基板2は、リードフレーム6を介してそれぞれボンディングワイヤ5により外部基板(図示せず)に電気的に接続される。
さらに、半導体装置100を外部の湿気、汚染、熱、電磁界等の影響から隔離し、絶縁性を確保するため、半導体素子1、回路基板2は、例えばトランスファーモールドによるモールド樹脂7によって覆われている(図1(c))。
The electrode pattern of the
Furthermore, in order to isolate the
図2は、半導体素子の電極に設けた突起の例を示す概略構成図である。図2に示すように、半導体素子1の一方の面に形成された電極9の短辺側の端面に、一対となるように、且つ半導体素子1から基材4方向に突出するように、Au、Ag、Cu、又はこれらの合金により突起8を形成する。例えば高周波通信用の半導体素子1で、長辺と短辺の比であるアスペクト比が1~10の形状であれば、突起8は対向する短辺にそれぞれ形成される。
このように、一対となるように形成された突起8は、図3に示すように、突起8の高さによって接合部3の厚さを確保でき、接合部3の厚さの均一性を確保することができる。
そして、金属焼結材により接合部3を形成するため、Au、Ag、Cu、又はこれらの合金により形成した突起8との界面において、焼結反応又は焼成反応による接合界面を形成できるため、接合性が向上し、未接合領域に起因する亀裂を防止できる。
FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing an example of protrusions provided on electrodes of a semiconductor element. As shown in FIG. 2 , Au is applied to the end surface of the short side of the
As shown in FIG. 3, the
Since the
金属焼結材ペーストは、例えば溶剤にAg焼結材を分散させ5Pa・s以上200Pa・s以下の粘度とし、ディスペンサで基材4上に塗布すればよい。突起8で規制されて電極9と基材4との間に広げられるとともに突起8の外側へ回り込み、接合部3の厚さと厚さの均一性、接合性を確保できる。
また、はんだを用いないため、溶融、凝固により生じる脆くて壊れやすい金属間化合物を形成しない。
また、短辺に突起8を形成すれば、溶剤成分を含む金属焼結材ペーストの焼結時に、溶剤成分を長辺側から揮発できるため、接合部3の過度な多孔質化を防止できる。
The metal sintered material paste may be obtained by, for example, dispersing Ag sintered material in a solvent so as to have a viscosity of 5 Pa·s or more and 200 Pa·s or less, and applying the paste onto the
In addition, since no solder is used, no brittle and fragile intermetallic compounds caused by melting and solidification are formed.
Moreover, if the
また、図4(a)に示すように長辺側の端面に突起8を形成してもよい。この構成により、突起8と接合部3との接合面積を大きくでき、接合強度を向上できる。
また、図4(b)に示すように、抜け穴10を設けるとともに電極9の端面を囲むように突起8を形成してもよい。この構成により、接合面積を大きくできる。溶剤成分が揮発できれば、電極9の端面の全周に形成してもよい。
また、図4(c)に示すように、突起8を電極9の角部のみに設けてもよい。溶剤成分を突起8が形成されていない部分から揮発させることができ、接合部3の過度な多孔質化を防止できる。突起8を対角となる一対の角部にのみ形成してもよい。
また、図4(d)に示すように、突起8を角部及び端面の辺上に形成してもよい。溶剤成分が揮発しやすく、接合面積を大きくできる。図示しないが、隣り合った角部に突起8を形成するとともに、これと対向する端面の辺上に突起8を設けることもできる。突起8が対になり、均一に電極9を支えることができればよい。
また、図4(e)に示すように、突起8を電極9の端面の長辺の一部に部分的に形成してもよい。短辺の一部に形成してもよく、長辺と短辺の双方に形成してもよい。少なくとも1つの対となるように突起8があればよく、この構成により、溶剤成分の揮発と、突起8と接合部3との接合面積を制御できる。
Moreover, as shown in FIG. 4A,
Moreover, as shown in FIG. 4(b), a
Moreover, as shown in FIG. 4(c), the
Moreover, as shown in FIG. 4(d),
Moreover, as shown in FIG. 4(e), the
また、接合部3の厚さは、半導体素子1の厚さの1/20以上の厚さを確保することが好ましく、よりヒートサイクル性を向上できる。より好ましくは半導体素子1の1/10以上、さらに1/5以上である。
Moreover, it is preferable that the thickness of the
なお、金属焼結材は、Ag焼結材、Cu焼結材、Au焼結材、Pd焼結材、Pt焼結材等の貴金属に分類される純金属をベースにした焼結材、Ag-Pd焼結材、Au-Si焼結材、Au-Ge焼結材、Au-Cu焼結材等の合金をベースにした焼結材等を用いればよい。 The sintered metal material includes sintered materials based on pure metals classified as precious metals such as Ag sintered materials, Cu sintered materials, Au sintered materials, Pd sintered materials, and Pt sintered materials. A sintered material based on an alloy such as a Pd sintered material, an Au--Si sintered material, an Au--Ge sintered material, and an Au--Cu sintered material may be used.
また、本実施の形態において、突起8をめっき処理により形成する例を示したが、マスキングしてスパッタにより積層成膜してもよい。また、電極9を厚く形成し、エッチング、研磨によって一部を除去して、突起8を形成してもよい。
Moreover, in the present embodiment, an example of forming the
また、長辺と短辺の長さが異なる高周波通信用の半導体素子1の例を示したが、長辺と短辺の長さが等しい半導体素子1を使用してもよい。
Moreover, although the example of the
また、基材4としてCu製のヒートシンクを用いた例を示したが、半導体素子1の動作による熱を逃がす機能があるヒートシンク材であればよい。例えば、鉄、タングステン、モリブデン、ニッケル、コバルト、これらの合金、又はこれらの複合材料を用いてもよい。熱伝導率の高いヒートシンク材を用いることにより、半導体素子1から発生する熱を効率よく外に逃がすことができ、接合部3に加わる歪みを低減できる。
上記の基材4の表面に酸化防止膜を形成してもよい。半導体素子1と回路基板2と接合部3の接合性を向上させるために、金、銀等のめっき層を形成してもよい。
また、基材4の形状は、四角柱の他、多角柱、円柱、楕円柱、これらの一部に段を設けた形状であってもよい。
Moreover, although an example of using a heat sink made of Cu as the
An antioxidant film may be formed on the surface of the
Moreover, the shape of the
また、回路基板2を実装する例を示したが、少なくとも半導体素子1が実装されればよい。
Also, although an example in which the
すなわち、本実施の形態にかかる半導体装置100は、基材4と、基材4側の面に電極9を有する半導体素子1と、電極9の端面に基材4方向に突出して形成され、対向して少なくとも一対となる突起8と、突起8及び電極9を覆うように金属焼結材により形成された接合部3とを備える構成によって、接合部3の厚さ、及び厚さの均一性を確保して半導体素子1と基材4を接合できるとともに、突起8と接合部3との界面に未接合領域が形成されにくく、接合性を向上できる。
That is, the
実施の形態2.
図5は、本発明の実施の形態2にかかる半導体装置の一部を示す概略構成図である。図5において、図3と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。
FIG. 5 is a schematic configuration diagram showing part of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention. In FIG. 5, the same reference numerals as in FIG. 3 denote the same or corresponding configurations, and the description thereof will be omitted.
図5に示す突起8は、電極9の端面に形成されるとともに、先端部81が先細りとなっており、三角柱形状となっている。このように、突起8の先端部81を先細りにすることにより、高さの制御ができ、接合部3の厚さ、及び厚さの均一性を確保できる。また、接合部3に埋め込むことにより、突起8と接合部3との接合をより強固にできる。
The
また、図6(a)に示すように、突起8を電極9の端面より内側に向かって形成すれば、アンカー効果により、より強固に接合できる。また、熱膨張係数差による歪みに起因する応力が集中する位置を半導体素子1の端面から突起8の先端部81へと内側に移動させることができ、亀裂の発生、進展を防止できる。
Further, as shown in FIG. 6(a), if the
さらに、図6(b)に示すように、三角柱の突起8の先端部81をさらに内側に屈曲させた屈曲部80を形成することよって、突起8が接合部3に深く食い込むため、いっそうアンカー効果が得られ、突起8と接合部3との接合を強固にできる。さらに、突起8の先端部81を電極9に向かうように複数回屈曲させて屈曲部80を設けてもよい。屈曲部80を複数設ければ、アンカー効果により突起8と接合部3との接合を強固にできる。
Furthermore, as shown in FIG. 6(b), by forming a
また、突起8の表面は平滑でもよいが、粗化めっき等によって表面に凹凸を有するように粗化すれば、より接合部3との接合強度を確保できる。
The surface of the
また、突起8の先端部81を半導体素子1の端面より内側に形成する例を示したが、電極9の外側の接合部3で覆うようにして、突起8の先端部81を半導体素子1の端面より外側に形成してもよい。
Also, although an example in which the
突起8の先端部81を先細りにすることにより、高さの制御ができ、接合部3の厚さ、及び厚さの均一性を確保できとともに、突起8と接合部3との接合をより強固にできる。
By tapering the
実施の形態3.
実施の形態1では、突起8を電極9の端面にめっき処理、積層成膜、エッチング、及び研磨によって形成する例を示したが、半導体素子1のパターン及び電極9を形成したウェハを切削して突起8を形成する方法について説明する。図7は、本発明の実施の形態3にかかる半導体素子の突起の形成方法の例を示すイメージ図であり、図8は、本発明の実施の形態3にかかる半導体装置の製造方法の工程図である。
In the first embodiment, an example is shown in which the
まず、ウェハの一方の面に半導体素子1のパターンを形成し(パターン形成工程)、ウェハの他方の面に半導体素子1の電極9を形成する(電極形成工程)。
次に、半導体素子1のパターン側から電極9の手前まで半導体素子1及びウェハを切削刃11による切削加工によって溝12を形成し(溝形成工程)、溝形成工程より切削の加工速度を上げて溝12から電極9を切削加工し突起8を形成する(突起形成工程)。
例えば、電極9の短辺側の端面にのみ突起8を形成する場合、短辺側を切削するときは上記の溝形成工程及び突起形成工程を行い、長辺側を切削するときは半導体素子1のパターン側から電極9まで同じ速度で切削する。
First, a pattern of the
Next, a
For example, when the
前記突起形成工程において形成された突起8を有する半導体素子1を取り出し、基材4上に塗布された金属焼結材ペースト上に突起8を配置させて、取り出した半導体素子1を搭載する(半導体素子搭載工程)。半導体素子1が搭載された金属焼結材ペーストは加熱、焼結され金属焼結材となり、突起8の内側に充填され基材4と半導体素子1の電極9とを接合する(接合工程)。
半導体素子1のパターンをリードフレーム6と接続し(接続工程)、半導体素子1をリードフレーム6及び基材4の少なくとも一部とともに封止する(封止工程)。
The
The pattern of the
また、突起8の高さは、切削刃11の速度、切削刃11の材質、電極9の厚さ等によって制御できる。
Also, the height of the
なお、溝形成工程における溝加工及び突起形成工程における電極の切断加工を、切削刃11を用いた切削加工とする例を示したが、レーザを用いたレーザ加工としてもよい。
Although an example in which the cutting process using the
このように、半導体素子1のパターン及び電極9を形成したウェハを切削又は切断して突起8を形成し半導体装置100を製造することにより、接合部3の厚さ、及び厚さの均一性を確保して半導体素子1と基材4を接合できるとともに、突起8と接合部3との界面に未接合領域が形成されることを防止できるため、これらの接合性を向上できる。
In this way, by cutting or cutting the wafer on which the patterns of the
なお、実施の形態1~3において半導体素子1としてLDMOSを用いた例を示したが、電力増幅機能を有するものだけでなく、高周波信号のスイッチング機能を有するもの等も適用可能である。例えば、Si製のMOSFET、化合物半導体であるガリウム砒素リンによるGaAs-HFET(Heterostructure Field Effect Transistor)、GaAs-HBT(Heterojunction Bipolar Transistor)、窒化ガリウムによるGaN-HFET(Heterostructure Field Effect Transistor)等を用いてもよい。
In the first to third embodiments, an example of using LDMOS as the
本発明は、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ることや、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。 Within the scope of the invention, each embodiment can be freely combined, and each embodiment can be appropriately modified or omitted.
1 半導体素子、2 回路基板、3 接合部、4 基材、5 ボンディングワイヤ、
6 リードフレーム、7 モールド樹脂、8 突起、9 電極、10 抜け穴、
11 切削刃、12 溝、80 屈曲部、81 先端部、
100 半導体装置。
1 semiconductor element, 2 circuit board, 3 junction, 4 base material, 5 bonding wire,
6 lead frame, 7 mold resin, 8 projection, 9 electrode, 10 loophole,
11 cutting edge, 12 groove, 80 bend, 81 tip,
100 semiconductor devices.
Claims (10)
前記基材上に搭載され、前記基材側の面に電極を有する半導体素子と、
前記半導体素子のパターンが形成された面から前記電極が形成された面に向かって、前記電極を切断する切断加工によって形成され、前記電極の端面に前記基材方向に突出し、対向して少なくとも一対となる突起と、
前記突起及び前記電極を覆うように金属焼結材によって前記基材上に形成された接合部と
を備えたことを特徴とする半導体装置。 a substrate;
a semiconductor element mounted on the base material and having an electrode on the surface facing the base material;
The electrodes are formed by cutting the electrodes from the pattern-formed surface of the semiconductor element toward the electrode-formed surface . and a protrusion that becomes
A semiconductor device comprising: a joint portion formed on the base material with a sintered metal material so as to cover the projection and the electrode.
前記ウェハの他方の面に前記半導体素子の電極を形成する電極形成工程と、
前記半導体素子のパターン側から前記電極の手前まで前記半導体素子及び前記ウェハを溝加工して溝を形成する溝形成工程と、
前記溝形成工程より加工速度を上げて前記溝から前記電極を切断加工し、対向する少なくとも一対の突起を形成する突起形成工程と、
前記突起を有する前記半導体素子を取り出す工程と、
基材上に金属焼結材ペーストを塗布し、前記金属焼結材ペースト上に前記突起を配置させて取り出した前記半導体素子を搭載する半導体素子搭載工程と、
前記金属焼結材ペーストを加熱し、前記金属焼結材ペーストが焼結された金属焼結材を前記突起の内側に充填して前記基材と前記半導体素子の前記電極とを接合する接合工程と、
前記半導体素子のパターンをリードフレームと接続する接続工程と、
前記半導体素子を前記リードフレーム及び前記基材の少なくとも一部とともに封止する封止工程と、
を備えた半導体装置の製造方法。 a pattern forming step of forming a pattern of semiconductor elements on one surface of the wafer;
an electrode forming step of forming an electrode of the semiconductor element on the other surface of the wafer;
a groove forming step of forming a groove by processing the semiconductor element and the wafer from the pattern side of the semiconductor element to the front of the electrode;
a protrusion forming step of cutting the electrode from the groove at a higher processing speed than the groove forming step to form at least a pair of opposing protrusions;
taking out the semiconductor element having the protrusion;
A semiconductor element mounting step of applying a metal sintered material paste on a base material and mounting the semiconductor element taken out by arranging the protrusions on the metal sintered material paste;
A joining step of heating the metal sintered material paste and filling the metal sintered material obtained by sintering the metal sintered material paste into the inside of the protrusion to join the base material and the electrode of the semiconductor element. and,
a connecting step of connecting the pattern of the semiconductor element to a lead frame;
a sealing step of sealing the semiconductor element together with at least part of the lead frame and the base;
A method of manufacturing a semiconductor device comprising
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