JP7423197B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
接合材が電流経路の一部を形成しているので、接合材にはクラック等の破損がないことが好ましい。一方で、接合材の材料とダイパッドの材料とが互いに異なる場合、製造工程時の温度変化にこれらが晒されると、お互いの線膨張係数の差に起因して、接合材にクラックが入り易くなる。
本発明の目的は、アイランドと半導体チップとの間の接合材の広がりを制御することができる半導体装置を提供することである。
たとえば、アイランドの第1面に凸部が多数形成されており、第1面の算術平均粗さRaが0.1μm未満でない場合を検討する。この場合、アイランドの第1面上の接合材は、多数の凸部の間の微細な凹部(溝等)の毛細管現象により、広く拡大する場合がある。これに対し、アイランドの第1面の算術平均粗さRaが0.1μm未満であれば、当該毛細管現象を抑制することができるので、結果として、接合材が広く拡大することを抑制することができる。
また、接合材が20μm~80μmの厚さを有しているので、接合材とアイランドとの間の線膨張係数の差に起因して接合材に発生する応力を緩和することができる。これにより、当該応力による接合材のクラックの発生を抑制することができ、接合材の抵抗の増加を抑制することができる。その結果、半導体チップからアイランドへ向かって縦方向に電流を良好に流すことができる。
まず、本発明の実施形態を列記して説明する。
本発明の一実施形態に係る半導体装置は、第1面およびその反対側の第2面を有する導電性のアイランドと、前記アイランド上に形成され、前記アイランドとは異なる材料からなる導電性の接合材と、前記接合材上に形成され、前記接合材に接する第1電極を有する半導体チップと、前記アイランドの前記第2面が露出するように、前記アイランド、前記接合材および前記半導体チップを覆う封止樹脂とを含み、前記アイランドの前記第1面の算術平均粗さRaは、0.1μm未満である。
たとえば、アイランドの第1面に凸部が多数形成されており、第1面の算術平均粗さRaが0.1μm未満でない場合を検討する。この場合、アイランドの第1面上の接合材は、多数の凸部の間の微細な凹部(溝等)の毛細管現象により、広く拡大する場合がある。これに対し、アイランドの第1面の算術平均粗さRaが0.1μm未満であれば、当該毛細管現象を抑制することができるので、結果として、接合材が広く拡大することを抑制することができる。
接合材の厚さが20μm~80μmであれば、接合材とアイランドとの間の線膨張係数の差に起因して接合材に発生する応力を良好に緩和することができる。
本発明の一実施形態に係る半導体装置では、前記半導体チップは、平面視四角形状に形成されており、平面視において、前記接合材の一部が前記半導体チップの1辺のみ、または2辺のみから漏れ出していてもよい。
また、接合材が20μm~80μmの厚さを有しているので、接合材とアイランドとの間の線膨張係数の差に起因して接合材に発生する応力を緩和することができる。これにより、当該応力による接合材のクラックの発生を抑制することができ、接合材の抵抗の増加を抑制することができる。その結果、半導体チップからアイランドへ向かって縦方向に電流を良好に流すことができる。
本発明の一実施形態に係る半導体装置では、前記アイランドは、Cuを主成分とする金属からなる第1母材と、前記第1母材上に形成されたNiを主成分とする金属からなる第1表層めっき層とを含み、前記第1表層めっき層が、前記アイランドの前記第1面を形成しており、前記接合材は、はんだを主成分とする金属からなっていてもよい。
本発明の一実施形態に係る半導体装置では、前記半導体チップは、前記半導体チップの厚さ方向において前記第1電極の反対側に形成された第2電極を含み、前記半導体装置は、前記アイランドから離れており、かつ第1面およびその反対側の第2面を有するリードと、前記リードと前記第2電極とを接続するワイヤとを含み、前記リードの前記第1面の算術平均粗さRaは、0.1μm未満であってもよい。
本発明の一実施形態に係る半導体装置では、前記リードは、Cuを主成分とする金属からなる第2母材と、前記第2母材上に形成されたNiを主成分とする金属からなる第2表層めっき層とを含み、前記第2表層めっき層が、前記リードの前記第1面を形成していてもよい。
本発明の一実施形態に係る半導体装置では、前記リードは、第1リード、および前記第1リードとは異なる第2リードを含み、前記第1リードは、前記封止樹脂から露出した複数の第1アウターリードと、前記複数の第1アウターリードの延長部を前記封止樹脂内で連結する第1インナーリードとを含み、前記第2リードは、前記封止樹脂から露出した複数の第2アウターリードと、各前記第2アウターリードに対して1対1で接続された第2インナーリードとを含んでいてもよい。
本発明の一実施形態に係る半導体装置では、前記封止樹脂の第3辺側、および前記第3辺に対向する第4辺側に、前記リードが配置されていなくてもよい。
<本発明の実施形態の詳細な説明>
次に、本発明の実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る半導体装置1の上面側の模式的な斜視図である。図2は、半導体装置1の下面側の模式的な斜視図である。図3は、半導体装置1の模式的な平面図であって、封止樹脂6の内部を透視して示す図である。図4Aは、図3のIVA-IVA断面を示す図である。図4Bは、図3のIVB-IVB断面を示す図である。図5は、半導体装置1のアイランド2の第1面19およびリード3の第1面42の表面状態を示すSEM画像である。図6は、参考例に係る半導体装置のアイランド63の第1面64の表面状態を示すSEM画像である。
封止樹脂6は、アイランド2、リード3、接合材4および半導体チップ5を覆うことによって、これらを封止している。封止樹脂6は、直方体形状に形成されており、図3に示す平面視では、平面視四角形状(長方形状)に形成されている。封止樹脂6は、平面視において、互いに対向する第1辺6Aおよび第2辺6Bと、互いに対向する第3辺6Cおよび第4辺6Dとを有している。
第1母材14は、Cuを主成分とする金属からなる。たとえば、Cuを主成分とする金属の線膨張係数は、16(10-6/K)~19(10-6/K)であってもよい。ここで、「Cuを主成分とする金属」とは、第1母材14を構成するCuの質量比率(質量%)が、第1母材14を構成する他の成分に対して最も高い金属のことをいう。
この実施形態では、アイランド2は、第1面19、その反対側の第2面20および当該第1面19と第2面20とを接続する第3面21を有している。別の言い方では、アイランド2の第1面19は上面であり、第2面20は裏面であり、第3面21は側面であってもよい。このアイランド2の第1面19、第2面20および第3面21の全てが、第1表層めっき層15で形成されている。また、第1表層めっき層15は、たとえば、2μm~3μmの厚さを有する金属薄膜であってもよい。
第1リード28は、この実施形態では、封止樹脂6の第1辺6A側に配置されている。この実施形態では、前述の軸Aに対して線対称な一対の第1リード28が形成されている。
第1インナーリード31は、封止樹脂6の第1辺6Aに沿って延びており、平面視略長方形状に形成されている。また、第1インナーリード31は、アイランド2に対して上方に離れた高さ位置に配置されている。複数の第1アウターリード30は、第1インナーリード31の長辺に沿って間隔を空けて配列されている。各第1アウターリード30は、第1インナーリード31の長手方向に対して垂直な方向に延びている。また、図1、図2および図4Aを参照して、各第1アウターリード30は、クランク形状に形成されており、アイランド2の第2面17と同じ高さに底面(第2面43)を有している。
第1部分35および第2部分36は、それぞれ、1つずつ形成されていてもよいし、2つ以上形成されていてもよい。この実施形態では、第2インナーリード34のアイランド2に近い側の端部から、第1部分35、第2部分36、第1部分35および第2部分36の順に交互に形成されている。隣り合う第1部分35で挟まれた第2部分36は、幅広な一対の第1部分35の間の幅狭な部分であり、第2インナーリード34のネック部と称してもよい。
各第2アウターリード33は、封止樹脂6の第2辺6Bに対して垂直な方向に第2インナーリード34と一体的に延びている。また、図1、図2および図4Aを参照して、各第2アウターリード33は、クランク形状に形成されており、アイランド2の第2面17と同じ高さに底面(第2面43)を有している。
図4Aおよび図4Bを参照して、リード3は、第2母材37と、第2母材37上に形成された第2表層めっき層38とを含む。
この実施形態では、リード3は、第1面42、その反対側の第2面43および当該第1面42と第2面43とを接続する第3面44を有している。別の言い方では、リード3の第1面42は上面であり、第2面43は裏面であり、第3面44は側面であってもよい。このリード3の第1面42、第2面43および第3面44の全てが、第2表層めっき層38で形成されている。また、第2表層めっき層38は、たとえば、2μm~3μmの厚さを有する金属薄膜であってもよい。
ここで、「はんだを主成分とする金属」とは、接合材4を構成する、はんだの質量比率(質量%)が、接合材4を構成する他の成分に対して最も高い金属のことをいう。はんだの具体的な組成としては、たとえば、鉛含有はんだ、鉛フリーはんだのいずれであってもよい。鉛含有はんだとしては、たとえば、PbSn、PbSnAg、PbSnBi、PbSnBiIn等が挙げられる。鉛フリーはんだとしては、たとえば、AuSn、AgSn、AgSnCu、SnZnBi、SnSbNi、SnZn、SnBi等が挙げられる。また、接合材4は、20μm~80μmの厚さT1を有している。
半導体基板45は、たとえば、Si基板、SiC基板等の公知の半導体基板45であってよい。半導体基板45は、第1面49、その反対側の第2面50および当該第1面49と第2面50とを接続する第3面51を有している。別の言い方では、半導体基板45の第1面49は上面であり、第2面50は裏面であり、第3面51は側面であってもよい。半導体基板45の第1面49には、たとえば、MOSFET52(スイッチング素子)および当該MOSFET52の保護回路(図示せず)等の半導体素子が形成されている。MOSFET52は、第1電極46と第2電極47との間を半導体基板45の厚さ方向に電流が流れる縦型素子である。
第1ワイヤ57および第2ワイヤ58は、Auワイヤ、Cuワイヤ等の公知のボンディングワイヤであってよい。
図3では、半導体チップ5の第2辺5Bおよび第4辺5Dから漏れ出した接合材4の漏れ出し部分59が示されている。より具体的には、半導体チップ5の第3辺5Cおよび第4辺5Dと、アイランド2の第3辺2Cおよび第4辺2Dとの距離L3は、半導体チップ5の第1辺5Aおよび第2辺5Bと、アイランド2の第1辺2Aおよび第2辺2Bとの距離L4よりも長くなっている。これにより、半導体チップ5の第4辺5Dから漏れ出した接合材4の漏れ出し部分59が、アイランド2の第4辺2Dに達していない一方、半導体チップ5の第2辺5Bから漏れ出した接合材4の漏れ出し部分59は、アイランド2の第2辺2Bに達している。また、半導体チップ5の第2辺5Bから漏れ出した接合材4の漏れ出し部分59は、図4Aに破線で示すように、アイランド2の第2面20に達していなければ、アイランド2の第3面21を部分的に覆っていてもよい。
封止樹脂6は、エポキシ樹脂を主成分とする材料からなる。エポキシ樹脂としては、たとえば、公知の封止樹脂材料を適用できる。封止樹脂6は、前述のように直方体形状に形成されており、第1面60、その反対側の第2面61および当該第1面60と第2面61とを接続する第3面62を有している。別の言い方では、封止樹脂6の第1面60は上面であり、第2面61は裏面であり、第3面62は側面であってもよい。
次に、半導体装置1の作用効果について説明する。まず、参考例に係る半導体装置について検討する。
参考例に係る半導体装置では、アイランド63の第1面64の表面状態が、図6の通りとなっている。このような層構成を有するアイランド63の第1面64の算術平均粗さRaは、0.1μm未満ではない。より具体的には、参考例に係る半導体装置のアイランド63の第1面64には、その全体にわたって、多数の球状の凸部65若しくは粒子66が散在している。そのため、球状の凸部65や粒子66間の微細な溝67(隙間)が、アイランド63の第1面64の全体にわたって、たとえば蜘蛛の巣状に張り巡らされている。
次に、図7A~図7Gを参照して、半導体装置1の製造方法について説明する。
まず、図7Aを参照して、Cuを主成分とする母材からなるリードフレーム68が準備される。リードフレーム68は、アイランド2およびリード3を一体的に備えている。なお、図7Aでは、アイランド2とリード3とを一体的に接続するリード3(たとえば、吊りリード3)を省略している。
次に、図7Dを参照して、溶融はんだ70がスパンカー71を用いて成形されることによって接合材4が形成される。この実施形態では、溶融はんだ70は、図8に示すように、スパンカー71を用いて平面視四角形状に成形される。
次に、図7Fを参照して、半導体チップ5の第1パッド55と第1インナーリード31とが第1ワイヤ57で接続され、半導体チップ5の第2パッド56と第2インナーリード34とが第2ワイヤ58で接続される。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。
また、接合材4の一部が半導体チップ5の1辺のみ、または2辺のみからしか漏れ出していないのであれば、アイランド2の第1面19の算術平均粗さRaは1μm以上であってもよい。逆に、アイランド2の第1面19の算術平均粗さRaが1μm未満であれば、接合材4の一部は、半導体チップ5の3辺以上から漏れ出していてもよい。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
<実施例>
まず、電解めっき法によって、Cuを主成分とする母材からなるリードフレームの表面全体に、Niを主成分とする表層めっき層を形成した。この際、表層めっき層の表面(前述のアイランド2の第1面19)の算術平均粗さRaが1μm未満となるように、Niめっき液の組成およびめっき条件を調整した。得られた表層めっき層の表面の算術平均粗さRaは、0.085μmであった。つまり、図5で示した表面状態を有する表層めっき層が形成された。
<参考例>
表層めっき層の表面の算術平均粗さRaは、0.143μmであった(図6で示した表面状態を有する表層めっき層)ことを除いて、実施例と同じ工程を経て、半導体チップ5を溶融はんだの上にマウントした。そして、実施例と同様に、半導体チップ5のマウント後のはんだの広がり状態を、マトリックス評価した。結果を図10に示す。
2 アイランド
2A (アイランド)第1辺
2B (アイランド)第2辺
2C (アイランド)第3辺
2D (アイランド)第4辺
3 リード
4 接合材
5 半導体チップ
5A (半導体チップ)第1辺
5B (半導体チップ)第2辺
5C (半導体チップ)第3辺
5D (半導体チップ)第4辺
6 封止樹脂
6A (封止樹脂)第1辺
6B (封止樹脂)第2辺
6C (封止樹脂)第3辺
6D (封止樹脂)第4辺
14 第1母材
15 第1表層めっき層
16 (第1母材)第1面
17 (第1母材)第2面
18 (第1母材)第3面
19 (アイランド)第1面
20 (アイランド)第2面
21 (アイランド)第3面
28 第1リード
29 第2リード
30 第1アウターリード
31 第1インナーリード
32 (第1アウターリード)延長部
33 第2アウターリード
34 第2インナーリード
37 第2母材
38 第2表層めっき層
39 (第2母材)第1面
40 (第2母材)第2面
41 (第2母材)第3面
42 (リード)第1面
43 (リード)第2面
44 (リード)第3面
46 第1電極
47 第2電極
52 MOSFET
55 第1パッド
56 第2パッド
57 第1ワイヤ
58 第2ワイヤ
59 (接合材)漏れ出し部分
Claims (14)
- 第1面およびその反対側の第2面を有する導電性のアイランドと、
前記アイランド上に形成され、はんだを主成分とする金属からなる導電性の接合材と、
前記接合材上に形成され、前記接合材に接する第1電極を有する半導体チップと、
前記アイランドの前記第2面が露出するように、前記アイランド、前記接合材および前記半導体チップを覆う封止樹脂とを含み、
前記アイランドの前記第1面の算術平均粗さRaは、0.1μm未満であり、
前記半導体チップは、平面視四角形状に形成されており、
平面視において、前記接合材の一部が前記半導体チップの1辺のみ、または2辺のみから漏れ出しており、
前記半導体チップから漏れ出した前記接合材の部分は、前記アイランドの端縁に達しており、かつ前記アイランドの前記第2面に達していない、半導体装置。 - 前記接合材の厚さは、20μm~80μmである、請求項1に記載の半導体装置。
- 第1面およびその反対側の第2面を有する導電性のアイランドと、
前記アイランド上に形成され、20μm~80μmの厚さを有し、かつ、はんだを主成分とする金属からなる導電性の接合材と、
前記接合材上に形成され、前記接合材に接する第1電極を有し、かつ平面視四角形状に形成された半導体チップと、
前記アイランドの前記第2面が露出するように、前記アイランド、前記接合材および前記半導体チップを覆う封止樹脂とを含み、
平面視において、前記接合材の一部が前記半導体チップの1辺のみ、または2辺のみから漏れ出しており、
前記半導体チップから漏れ出した前記接合材の部分は、前記アイランドの端縁に達しており、かつ前記アイランドの前記第2面に達していない、半導体装置。 - 前記アイランドは、前記アイランドの前記第1面と前記第2面とを接続する第3面を有し、
前記半導体チップから漏れ出した前記接合材の部分は、前記アイランドの前記第1面から前記第3面に達している、請求項1~3のいずれか一項に記載の半導体装置。 - 前記アイランドは、Cuを主成分とする金属からなる第1母材と、前記第1母材上に形成されたNiを主成分とする金属からなる第1表層めっき層とを含み、
前記第1表層めっき層が、前記アイランドの前記第1面を形成している、請求項1~4のいずれか一項に記載の半導体装置。 - 前記第1母材は、第1面、その反対側の第2面および当該第1面と第2面とを接続する第3面を有し、
前記第1表層めっき層は、前記第1母材の前記第1面、前記第2面および前記第3面の全てを覆っている、請求項5に記載の半導体装置。 - 前記半導体チップは、前記半導体チップの厚さ方向において前記第1電極の反対側に形成された第2電極を含み、
前記半導体装置は、
前記アイランドから離れており、かつ第1面およびその反対側の第2面を有するリードと、
前記リードと前記第2電極とを接続するワイヤとを含み、
前記リードの前記第1面の算術平均粗さRaは、0.1μm未満である、請求項1~6のいずれか一項に記載の半導体装置。 - 前記リードは、Cuを主成分とする金属からなる第2母材と、前記第2母材上に形成されたNiを主成分とする金属からなる第2表層めっき層とを含み、
前記第2表層めっき層が、前記リードの前記第1面を形成している、請求項7に記載の半導体装置。 - 前記第2母材は、第1面、その反対側の第2面および当該第1面と第2面とを接続する第3面を有し、
前記第2表層めっき層は、前記第2母材の前記第1面、前記第2面および前記第3面の全てを覆っている、請求項8に記載の半導体装置。 - 前記リードは、第1リード、および前記第1リードとは異なる第2リードを含み、
前記第1リードは、前記封止樹脂から露出した複数の第1アウターリードと、前記複数の第1アウターリードの延長部を前記封止樹脂内で連結する第1インナーリードとを含み、
前記第2リードは、前記封止樹脂から露出した複数の第2アウターリードと、各前記第2アウターリードに対して1対1で接続された第2インナーリードとを含む、請求項7~9のいずれか一項に記載の半導体装置。 - 前記封止樹脂は、平面視四角形状に形成されており、
前記第1リードは、前記封止樹脂の第1辺側に配置されており、
前記第2リードは、前記第1辺に対向する前記封止樹脂の第2辺側に配置されている、請求項10に記載の半導体装置。 - 前記封止樹脂の第3辺側、および前記第3辺に対向する第4辺側に、前記リードが配置されていない、請求項11に記載の半導体装置。
- 前記半導体チップの前記第2電極は、相対的に大きい第1パッドと、前記第1パッドよりも小さな面積を有する第2パッドとを含み、
前記ワイヤは、1つの前記第1パッドと1つの前記第1インナーリードとを接続する複数の第1ワイヤと、1つの前記第2パッドと1つの前記第2インナーリードとを接続する1本の第2ワイヤとを含む、請求項10~12のいずれか一項に記載の半導体装置。 - 前記封止樹脂は、エポキシ樹脂を主成分とする材料からなる、請求項1~13のいずれか一項に記載の半導体装置。
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