JPH04290245A - 半導体装置の熱応力測定素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体デバイスを収納
容器（以下パッケージと称する）に収納、封止した半導
体装置の熱応力測定素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電子機器の小型化が進む中でこれ
に用いる電子部品にも小型化が強く要望されている。こ
れらの電子機器では実装密度を高めるために、プリント
基板の両面にリードレスの部品を半田を用いて接続する
いわゆる表面実装方式が主流になっている。表面実装方
式では、パッケージをプリント基板の上に仮止めし、半
田槽を通すディップ方式や赤外線で加熱し半田付けを行
うリフロー方式が用いられている。ところが、これらの
工程では温度が約２４０℃にもなるため、パッケージの
封止樹脂に亀裂が発生したり、半導体基板と封止樹脂と
の間で剥離が生じたりし、品質上の重大な問題を引き起
こすことがある。加えて、最近パッケージのサイズに比
較して半導体基板のサイズが大きくなってきており、こ
れに伴って半導体基板を載せるダイパットも大きくなり
、樹脂に加わる応力が増加するとともに、ダイパットや
半導体基板を覆う樹脂の量が少なくなり、熱による応力
に抗しきれない状態が発生しやすくなり、亀裂、剥離の
発生が顕著になってきている。したがって、パッケージ
の中で半導体基板にどのような応力が生じているのかを
解析することが非常に重要となってきた。従来、パッケ
ージに封止された半導体基板に生じる応力測定のために
用いられているものに、ピエゾ抵抗素子やひずみゲージ
がある。

【０００３】ピエゾ抵抗素子はピエゾ抵抗効果を利用し
たもので、例えば半導体結晶に外力が作用して形状的な
ひずみが発生した場合に比抵抗が変化するという現象を
利用して応力を測定するものである。またひずみゲージ
は、絶縁性のフィルムの間に金属抵抗箔を挟んだ３層構
造で構成されている。ひずみゲージを用いた測定の原理
は、ひずみゲージを接着剤で半導体基板に貼付けて使用
し、半導体基板にひずみが生じた場合、そのひずみがひ
ずみゲージに伝達されて金属抵抗箔の抵抗を変化させる
現象を利用したものである。

【０００４】以下に従来の半導体装置の熱応力測定素子
について説明する。図５（ａ）はひずみゲージを用いた
従来の半導体装置の熱応力測定素子の断面図、図５（ｂ
）は同熱応力測定素子の平面図、図５（ｃ）は同熱応力
測定素子をリードフレームのダイパッドに貼付けた状態
を示す断面図、図５（ｄ）は同熱応力測定素子を封止樹
脂で封止したものの断面図である。

【０００５】図５（ａ）において、１は金属抵抗箔、２
は絶縁性のベースフィルム、３はカバーフィルム（以下
金属抵抗箔１，ベースフィルム２およびカバーフィルム
３を総称してひずみゲージと称する）、４は半導体基板
、５はひずみゲージを半導体基板４に貼付けるための接
着剤、６はひずみゲージの抵抗値を外部装置で読み取る
ためのリード線である。ここで、ひずみゲージの金属抵
抗箔１は銅とニッケルの合金で、温度変化による抵抗値
変化を極力抑えたもので自己温度補償型のひずみゲージ
を構成する。図５（ｂ）は、図５（ａ）を真上からみた
図であるが、ひずみゲージの金属抵抗箔１はリード線６
と接続するための端子１ａを有し、コの字形に往復して
いる形状で、その厚さは１０μｍ程度である。また図５
（ｂ）に示す長さｂはゲージ長であり、測定の種類に応
じてそのゲージ長ｂを選択する。

【０００６】次にこのひずみゲージを使用して応力を測
定する場合について説明する。まず図５（ｃ）に示すよ
うに、半導体基板４の熱応力を測定したい場所にひずみ
ゲージを接着剤５で貼付ける。ただし、このひずみゲー
ジおよび接着剤５は測定したい熱応力の温度変化までの
耐熱性があることが必要である。半導体基板４にひずみ
ゲージを貼付けた状態で、まず室温と熱応力を測定した
い温度以上の間で温度サイクルを加えて接着剤５のひず
みを除去する。次に、この状態で温度を変化させ熱応力
を測定したい温度Ｔ１のひずみゲージの抵抗値を測定す
る。このときの測定した抵抗値をＲＫ１とする。この抵
抗値ＲＫ１は、ひずみゲージの金属抵抗箔１と半導体基
板４との間の線膨張係数の違いにより温度Ｔ１での見か
けのひずみが生じたことによる抵抗変化である。したが
って、この抵抗値ＲＫ１を既知にしておく必要がある。 上記測定を行った後、図５（ｃ）に示すように半導体基
板４をダイパット７に接着剤８で貼付ける。次に接着剤
８のひずみを除去した後、熱応力を測定したい温度Ｔ１
でのひずみゲージの抵抗値を測定する。このときの測定
した抵抗値をＲＤ１とする。次に図５（ｄ）に示すよう
に、リード線６をパッケージの外部端子１０に高温半田
１１による半田付けまたは点溶接などで接続する。その
後、封止樹脂９で封止する。この状態で熱応力を測定し
たい温度Ｔ１でひずみゲージの抵抗値を測定し、この抵
抗値をＲＰ１とする。

【０００７】このようにして測定した抵抗値ＲＰ１、Ｒ
Ｋ１、ＲＤ１から各熱応力を算出することができる。Ｒ
Ｐ１ーＲＫ１の差分の抵抗値変化が、半導体基板４が図
５（ｄ）のような構成で樹脂封止されたことにより生じ
る熱応力に対応する。この差分の抵抗値をひずみ量に換
算し、換算したひずみ量より熱応力値を計算することが
できる。ただし、ここで測定された熱応力は図５（ｂ）
に示すａーａ´の方向の応力値である。また、ＲＰ１ー
ＲＤ１の差分の抵抗値は半導体基板４が封止樹脂９のみ
によって与えられる熱応力値を示したものである。この
ように、ひずみゲージを用いることにより半導体基板４
の熱応力を測定することができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の従
来の構成でピエゾ抵抗を用いたものでは、ピエゾ抵抗の
温度変化による抵抗変化量の方が応力による抵抗変化量
よりも約１桁大きいために、パッケージに収納、封止し
た後に熱を加えた場合の半導体基板に生じる熱応力の測
定が非常に困難であるという課題を有していた。またひ
ずみゲージを用いたものでは、ひずみゲージの接着およ
び接着層のひずみ除去という作業があり、かつひずみゲ
ージを貼付けて使用するので測定に自由度がなく接着層
とベースフィルムの存在により測定精度が落ちてしまう
という課題を有していた。

【０００９】本発明は上記従来の課題を解決するもので
、パッケージに収納、封止された後の半導体基板にかか
る熱応力を高精度で測定できる自由度の大きい半導体装
置の熱応力測定素子を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の半導体装置の熱応力測定素子は、半導体基板
の主面に絶縁膜を介して金属薄膜抵抗を、そのパターン
の長さ方向が熱応力の測定方向に平行になるように形成
したものである。

【００１１】

【作用】この構成によって、パッケージに収納、封止さ
れた半導体基板に生じる熱応力を簡便な方法で測定する
ことができ、また半導体基板に応力検知用の金属薄膜抵
抗を直接形成するという構造をとることで、精度が高く
、測定の自由度を向上させかつ他の半導体デバイスとの
混在が可能となり１チップの中に熱応力測定素子とその
他の半導体素子とを同時に形成することができる。

【００１２】

【実施例】以下本発明の一実施例について、図面を参照
しながら説明する。図１（ａ）は本発明の一実施例にお
ける半導体装置の熱応力測定素子の断面図、図１（ｂ）
は同熱応力測定素子の平面図、図１（ｃ）、図１（ｄ）
はパターンの異なる熱応力測定素子の平面図である。図
１（ａ）において、１２は半導体基板４の上に絶縁膜１
３を介して形成された銅ニッケル合金箔からなる金属薄
膜抵抗であり、絶縁膜１３は熱酸化法、ＣＶＤ法または
イオン注入法等により形成されたものである。ここで金
属薄膜抵抗１２と半導体基板４の間に絶縁膜１３を介在
させているのは金属薄膜抵抗１２と半導体基板４の間の
絶縁を保つためである。また図１（ｂ）に示すように、
金属薄膜抵抗１２は外部リードとの接続端子１４を有し
ており、応力測定方向ａ−ａ’に平行にその長さ方向が
配置されている。なお、金属薄膜抵抗のパターンは必ず
しも図１（ｂ）に示すような形状をとる必要はなく、例
えば図１（ｃ）または図１（ｄ）のように折り返しの少
ない形状でもよい。 また熱応力測定素子の断面形状は図１（ａ）の構造以外
に、図２に示すように金属薄膜抵抗１２の下にのみ絶縁
膜１３を形成した構造でもよいし、さらには図３（ａ）
に示すように半導体基板４の一部に凹部４ａを設け、そ
の凹部４ａに絶縁膜１３を介して金属薄膜抵抗１２を埋
め込んだ形状としても良い。なお図３（ｂ）は図３（ａ
）を上から見た平面図である。図３（ａ）に示す例では
、金属薄膜抵抗１２を半導体基板４に埋没させてその表
面が同じ高さにしており、半導体基板４に生じる熱応力
により近い熱応力値の測定や半導体素子の接合部などに
生じる応力に関しても測定することができる。

【００１３】以上説明した本実施例の熱応力素子を用い
て従来のひずみゲージを用いた熱応力測定方法と同様な
手順で半導体装置の熱応力を測定することができる。こ
の場合、金属薄膜抵抗１２を半導体基板４の上に直接形
成しているために、従来の課題となっていたひずみゲー
ジの接着、接着層のひずみの除去といった作業を省くこ
とができ、さらには半導体基板４の上の任意の位置に正
確に形成できるため測定に関して自由度が向上する。ま
た、半導体基板上に直接形成することで他の半導体デバ
イスとの混在も可能であり、１チップの中に熱応力測定
素子とその他の半導体素子を同時に形成することができ
る。

【００１４】次に、銅ニッケル合金の材質について説明
する。銅ニッケル合金抵抗箔を半導体基板４の上に形成
して均一な温度変化を与えたとき、銅ニッケル合金抵抗
箔の抵抗値に影響を及ぼすのは、１）銅ニッケル合金抵
抗箔の抵抗温度係数α、２）半導体基板の線膨張係数β
ｓ、３）銅ニッケル合金抵抗箔の線膨張係数βｇである
。なおこれらの係数の間には（数１）に示す関係式が成
立する。

【００１５】

【数１】

【００１６】ここで、Ｋは銅ニッケル合金抵抗箔のゲー
ジ率、（△Ｒ／Ｒ）／△Ｔは１℃あたりの抵抗変化率で
ある。（数１）においてα＋Ｋ（βｓーβｇ）＝０にな
れば、温度による銅ニッケル合金抵抗箔の抵抗値変化が
ないことになる。このような関係をもつ材質の銅ニッケ
ル合金を金属薄膜抵抗の材料として使用する。

【００１７】次に図１（ａ）に断面構造を示した本実施
例の熱応力測定素子の形成工程を図４（ａ）〜（ｅ）に
沿って説明する。図４において、４は半導体基板、１３
は酸化膜，窒化膜またはイオン注入した半絶縁層からな
る絶縁膜、１５は銅ニッケル合金箔、１６はフォトレジ
ストである。まず図４（ａ）に示すように、半導体基板
４上に絶縁膜１３を数百ｎｍの厚さに形成する。次に図
４（ｂ）に示すように、絶縁膜１３の上に銅ニッケル合
金をターゲットとして反応室圧力５〜１０ｍＴｏｒｒで
スパッタすることにより銅ニッケル合金膜１５を５〜１
０μｍの厚さに形成する。次に図４（ｃ）に示すように
、銅ニッケル合金膜１５の上にフォトレジスト膜１６を
１．５〜２．５μｍ程度塗布する。次に図４（ｄ）に示
すように、レジスト膜１６を１００℃〜１２０℃でプリ
ベークした後、露光パターニングする。次に図４（ｅ）
に示すように、レジスト膜１６をマスクに銅ニッケル合
金膜１５をドライエッチングし、ひずみゲージの金属薄
膜抵抗１２を形成する。最後にフォトレジスト膜１６を
オゾンアッシングなどで除去後、形成された銅ニッケル
合金からなる金属薄膜抵抗１２の加熱処理を行う。加熱
処理の条件は、例えば水素雰囲気中で４００℃前後で２
０〜３０分である。

【００１８】このように本実施例によれば、従来のひず
みゲージを用いた場合よりも更に簡単に半導体装置の熱
応力測定を行うことができ、測定の自由度が向上する。

【００１９】

【発明の効果】以上のように本発明は、半導体基板の上
に絶縁膜を介して金属薄膜抵抗を形成しているために、
簡単に半導体装置の熱応力の測定ができ、熱応力測定値
の測定精度を向上させることができる上、半導体デバイ
スとの混在が可能となり、１チップの中にに熱応力測定
素子とその他の半導体素子を同時に形成できる優れた半
導体装置の熱応力測定素子を実現できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の一実施例における半導体装置
の熱応力測定素子の断面図 （ｂ）は同熱応力測定素子の平面図 （ｃ）はパターンの異なる熱応力測定素子の平面図（ｄ
）はパターンの異なる熱応力測定素子の平面図

【図２】
金属薄膜抵抗の下にのみ絶縁膜を形成した熱応力測定素
子の断面図

【図３】（ａ）は金属薄膜抵抗を埋め込んだ熱応力測定
素子の断面図 （ｂ）は同熱応力測定素子の平面図

【図４】本発明の熱応力測定素子の製造工程図

【図５】
（ａ）はひずみゲージを用いた従来の半導体装置の熱応
力測定素子の断面図 （ｂ）は同熱応力測定素子の平面図 （ｃ）は同熱応力測定素子をリードフレームのダイパッ
ドに貼付けた状態を示す断面図 （ｄ）は同熱応力測定素子を封止樹脂で封止したものの
断面図

【符号の説明】 ４　　半導体基板 １２　　金属薄膜抵抗 １３　　絶縁膜 ａ−ａ’　　熱応力の測定方向

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板の主面に絶縁膜を介して金属薄
   膜抵抗を、そのパターンの長さ方向が熱応力の測定方向
   に平行になるようにして形成した半導体装置の熱応力測
   定素子。
2. 【請求項２】半導体基板の主面に熱応力の測定方向に平
   行に凹部が設けられており、前記凹部に絶縁膜を介して
   金属薄膜抵抗を形成した半導体装置の熱応力測定素子。
3. 【請求項３】金属薄膜抵抗が銅ニッケル合金薄膜で形成
   された請求項１または２記載の半導体装置の熱応力測定
   素子。