JPWO2011145202A1 - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

基板に対する樹脂の密着性を安価に向上させた半導体装置であって、半導体素子（１１）と、その半導体素子（１１）の一方の面又は両方の面に対向して配置された一枚又は二枚の基板（１２，１３）とが、樹脂（１０）によって封止されたものであり、基板（１２，１３）の一方又は両方に、コールドスプレー法によって金属の粉末を吹き付けて成膜した樹脂接合膜（１８）が形成され、その樹脂接合膜（１８）には、膜表面から深さ方向に空間が広がるようにした凹部（１８１）が形成されている。

Description

本発明は、基板と封止樹脂との密着性を安価に向上させるようにした半導体装置に関する。
半導体装置は、基板に対して半田を介して半導体素子が接合され、全体が樹脂によって封止される。しかし、基板は線膨張係数が大きく、冷熱サイクルによって封止樹脂が剥離してしまう問題がある。そこで、剥離を防ぐために基板にポリアミド樹脂やポリイミド樹脂を塗布することが知られている。その他には、下記特許文献１に、基板にアルミニウム（Ａｌ）や、珪素の酸化物（Ａｌ２ Ｏ３ ，ＳｉＯ２ ）からなる溶射被膜を形成するものが開示されている。溶射被覆を施した基板は、封止樹脂との接着が強固になる。また、下記特許文献２には、複数の突起をもった加工パンチのパンチング処理によって基板の表面に複数の凹部を形成し、その凹部に入り込んだ封止樹脂を引掛けるようにして接着を強固にするものが開示されている。
特開平６−１１２３９０号公報 特開２００７−２５８５８７号公報
しかし、ポリアミド樹脂やポリイミド樹脂の塗布は、材料費が高価であり、また、塗布しない領域へ付着してしまうと、その後の洗浄作業が必要になるなど手間がかかり、しかも煩雑であった。一方、溶射被膜は、アルミニウムなどの金属粉末を溶融させ、溶融した金属を基板に吹き付けるため、基板が受ける熱影響が大きい。また、溶射は、減圧度の高いチャンバー内において行うなど、被膜の形成にコストを要し、それによって半導体装置の価格を上げてしまう。さらに、溶融させた材料粉末の熱によって基板が加熱されるため、成膜後の冷却処理が必要になるなどの手間を要していた。また、機械的な凹部の形成では、パンチング処理によって基板に歪みが生じてしまい、半導体素子の直近には凹部が形成できないなどの問題があった。
本発明は、かかる課題を解決すべく、基板に対する樹脂の密着性を安価に向上させた半導体装置を提供することを目的とする。
本発明の一態様における半導体装置は、半導体素子と、その半導体素子の一方の面又は両方の面に対向して配置された一枚又は二枚の基板とが、樹脂によって封止されたものであって、前記基板の一方又は両方に、コールドスプレー法によって金属の粉末を吹き付けて成膜した樹脂接合膜が形成され、その樹脂接合膜には、膜表面から深さ方向に空間が広がるようにした凹部が形成されたものであることを特徴とする。
上記半導体装置は、前記凹部が段状に形成されたものであることが好ましい。
また、上記半導体装置は、前記基板が、前記半導体素子の両方の面に配置された第１電極と第２電極であり、前記半導体素子と前記第１電極の間に配置されたブロック電極が存在し、そのブロック電極が前記第１電極に対してコールドスプレー法によって成膜されたものであることが好ましい。
また、上記半導体装置は、前記凹部が、前記半導体素子や前記ブロック電極の周りを囲むように配置された複数の穴であることが好ましい。
また、上記半導体装置は、前記凹部が、前記半導体素子や前記ブロック電極の周りを囲む溝であることが好ましい。
また、上記半導体装置は、前記凹部が、前記半導体素子や前記ブロック電極の周りを囲む溝に重ねて、その溝幅より寸法の大きい矩形の穴が形成されたものであることが好ましい。
本発明によれば、基板に樹脂接合膜が成膜され、封止樹脂が樹脂接合膜に接着する他、凹部に入り込んで剥離させようとする応力に対抗して接着強度を向上させる。また、コールドスプレー法によって成膜された樹脂接合膜は、多孔質であるため表面が凸凹しており、封止樹脂が、その凹んだ部分に入り込むことでも接合強度が向上させることができる。よって、樹脂接合膜による接合強度の向上によって、従来から行われてきたポリアミド樹脂などの塗布や、アルミニウムなどからなる溶射被膜の形成を廃止でき、材料コストの低減、生産性向上などにより半導体装置のコスト低減が可能になる。
半導体装置の実施形態を示す断面図である。 コールドスプレー法を実行する成膜装置の構成を概念的に示した図である。 図１のＰ部であって、第２電極と封止樹脂との境界部分を拡大して示した断面図である。 樹脂接合膜の形成過程を示した概念図である。 樹脂接合膜の凹部について穴形状の例を示した平面図である。 樹脂接合膜の凹部について溝形状の例を示した平面図である。 樹脂接合膜の凹部について穴形状と溝形状の組合せの例を示した平面図である。
１ 半導体装置
１０ 樹脂
１１ 半導体素子
１２ 第１電極
１３ 第２電極
１４ ブロック電極
１５，１６ 半田層
１８ 樹脂接合膜
１０１ アンカー部
１８１ 凹部
次に、本発明に係る半導体装置の一実施形態について、図面を参照しながら以下に説明する。図１は、本実施形態の半導体装置を示す断面図である。この半導体装置１は、半導体素子１１が、第１電極１２と第２電極１３に挟み込まれ、更に半導体素子１１と第１電極１２との間にはブロック電極１４が配置されている。第１電極１２と第２電極１３は、半導体素子１１の各主電極であるエミッタ電極やコレクタ電極として設けられ、更に放熱板として機能するものであるため、電気伝導性に加えて熱伝導性の良い銅やアルミニウム等の金属で形成されている。
一方、ブロック電極１４は、コールドスプレー法により第１電極１２に対して一体に形成されている。半導体素子１１と、第２電極１３及びブロック電極１４との間に半田層１５，１６が設けられ、それぞれが接合されている。第１電極１２と第２電極１３には主電極端子２１，２２がそれぞれに接続され、制御電極端子２３には半導体素子１１との間にボンディングワイヤ２４が接続されている。そして、全体が封止樹脂１０によって封止されている。第１電極１２と第２電極１３は、請求の範囲に記載する基板の一例であり、その表面にコールドスプレー法による樹脂接合膜１８が形成されている。
図２は、コールドスプレー法を実行する成膜装置の構成を概念的に示した図である。成膜装置８０は、圧縮ガスを供給するコンプレッサ８１を有し、そのコンプレッサ８１から送られる圧縮ガスが加熱手段８２によって加熱され、圧力調整弁８３を介してノズル８４から噴射されるようになっている。粉末タンク８５には例えば銅粉末が充填され、その粉末タンク８５から送り込まれる銅粉末をノズル８４でも加熱できるようにヒータ８６が設けられている。そして、銅粉末を特定の領域に噴射して成膜するため、ノズル８４を平行移動させる駆動手段８７が設けられている。
成膜装置８０によってブロック電極１４を成膜する場合、第１電極１２の上にマスク８８が配置される。マスク８８は、成膜領域に相当する大きさの開口枠８８１が形成され、第１電極１２に対して開口枠８８１の位置が合わせられる。ノズル８４には、粉末タンク８５から平均粒径が５〜６０μｍの銅粉末が供給され、その銅粉末がヒータ８６によって加熱される。また、ノズル８４にはコンプレッサ８１から加熱された圧縮ガスが送り込まれる。
ノズル８４からは５０℃〜２００℃に加熱された固相状態の銅粉末が、圧縮ガスと共に第１電極１２の表面に向けて勢いよく吹き付けられる。ノズル８４から噴射された銅粉末は、固体のまま音速から超音速ほどの高速で第１電極１２に衝突し、塑性変形して付着することによって膜を形成する。銅粉末は衝突した際に運動エネルギーが熱エネルギーに変わり、材料によっては材料表面が融点を超えて結合し強固な密着力を得る。そして、銅粉末を噴射するノズル８４が成膜領域に従って水平移動を繰返すことにより、第１電極１２に所定厚さのブロック電極１４が成膜される。
次に、第１電極１２と第２電極１３の表面に行う、コールドスプレー法による樹脂接合膜１８の形成について説明する。従来、封止樹脂１０の剥離は、冷熱サイクルによるものと考えられてきた。更に今回、半導体装置１の樹脂封止工程では、エポキシ樹脂が高温で硬化するときの架橋反応により体積が収縮する硬化収縮と、高温の硬化温度から室温に冷却されるときの熱収縮とが合わさり、電極１２，１３との接着を剥がそうとする応力も非常に大きいことが判明した。
特に、半導体装置１のように、大きな電極１２，１３を持つ両面冷却用パワーカードは、二枚の電極１２，１３がブロック電極１４により一定間離して配置され、その間に封止樹脂１０が封入される。この電極１２，１３の間の封止樹脂１０が硬化収縮すると、それによって両面の対向する電極は、互いの距離を縮めるように近づけられるが、その間のブロック電極１４がこれを妨げてしまう。このとき、封止樹脂１０と電極１２，１３の接着界面には剥離を促す応力が作用し、封止樹脂１０の接着力が足らずに剥離してしまう。
そこで、半導体装置１には、第１電極１２や第２電極１３と封止樹脂１０との境界面に、強固な接着を可能とする樹脂接合膜１８が形成される。図３は、図１のＰ部であって、第２電極１３と封止樹脂１０との境界部分を拡大して示した断面図である。樹脂接合膜１８はコールドスプレー法によって成膜されたものであり、特に封止樹脂１０が入り込む空間である凹部１８１が形成されている。凹部１８１は、膜表面から深さ方向に空間が広がるように形成されている。具体的には、段差によって表面の開口部側が狭くなり、入り込んで硬化した封止樹脂１０のアンカー部１０１が、引っ掛かって抜けないようになっている。
次に図４は、樹脂接合膜１８の形成過程を示した概念図である。樹脂接合膜１８の成膜には、先ず第１電極１２や第２電極１３に対応する基板３０に対し、凹部１８１の空間を形成するための２段のレジストブロック３１が形成される。例えばフォトリソグラフィの手法が用いられ、基板３０にフォトレジストが塗布され、その後、マスクの上から紫外線が照射される。化学変化した部分のフォトレジストが溶け、レジストブロック３１が形成される。レジストブロック３１は、下層ブロック３１１と上層ブロック３１２とが順に形成され、下層ブロック３１１が上層ブロック３１２よりも面積が大きい。
レジストブロック３１が形成された後は、前述した成膜装置８０を使用してコールドスプレー法によって樹脂接合膜１８が成膜される。基板３０に対して銅粉末が吹き付けられると、基板３０の表面にレジストブロック３１を埋めるようにして所定厚さの樹脂接合膜１８が形成される。その後、樹脂接合膜１８は、その中に埋まっているレジストブロック３１が、酸素プラズマなどを用いて灰化処理して除去される。更に、酸などの溶液を用いて洗浄することで金属や有機物などの不純物が取り除かれる。こうして、レジストブロック３１が除かれた樹脂接合膜１８には、表面の開口側より深さ方向に広がった空間の凹部１８１が形成される。
ところで、半導体装置１の第１電極１２や第２電極１３に対する樹脂接合膜１８は、その中央に配置される半導体素子１１やブロック電極１４の周りに凹部１８１が形成される。図５乃至図７は、第２電極１３の樹脂接合膜１８に形成された凹部の各例について示した平面図である。凹部１８１の一例としては、図５に示すように矩形の穴であって、半導体素子１１の接合領域１３１の周りを囲むように複数配置される。また、凹部１８１の他の例としては、図６に示すように、接合領域１３１の周りを囲んだ複数の溝であってもよい。更に凹部１８１の他の例としては、図７に示すように、接合領域１３１の周りを囲んだ環状の溝に、その溝幅より寸法の大きい矩形の穴を組み合わせたものであってもよい。
このように、図１に示す半導体装置１は、第１及び第２電極１２，１３の表面に樹脂接合膜１８が成膜され、図３に示すように、封止樹脂１０が樹脂接合膜１８に接着する。特に、凹部１８１に入り込んだアンカー部１０１は、封止樹脂１０を剥離させようとする応力に対抗して接着強度を向上させる。また、コールドスプレー法によって成膜された樹脂接合膜１８は、多孔質であるため表面が凸凹している。そのため、封止樹脂１０が、樹脂接合膜１８の表面の凹んだ部分に入り込むことでも接合強度を向上させることができる。この点、半導体装置１では、ブロック電極１４もコールドスプレー法によって成膜しているため、封止樹脂１０は、そのブロック電極１４との間でも接合強度が向上する。
樹脂接合膜１８の凹部１８１は、図５に示す穴の場合、その穴に入り込んだ封止樹脂１０が四方に広がって密着し、引っ掛かることにより、封止樹脂１０の接合強度が向上する。一方、凹部１８１が図６に示す溝の場合には、凹部１８１に入り込んだ封止樹脂１０が流れて溝の隅にまで回り込む。そのため、内部の気泡を押し出し、樹脂で埋められたアンカー部１０１を形成し、密着力を確保することができる。そして、凹部１８１が図７に示す穴と溝とを組み合わせたものの場合には、両者の効果が得られる。すなわち、気泡の残りやすい穴部分では、樹脂が入り込んで気泡が溝部分に押し出され、その穴部分では、樹脂で埋められたアンカー部１０１を形成するとともに、四方の引っ掛かりにより接合強度が向上する。
本実施形態では、樹脂接合膜１８による接合強度の向上により、従来から行われてきたポリアミド樹脂などの塗布や、アルミニウムなどからなる溶射被膜の形成を廃止でき、材料コストの低減、生産性向上などにより半導体装置１のコスト低減が可能になる。また、凹部１８１の形成に、パンチング処理などのような歪みを生じさせないため、第２電極１３には半導体素子１１の近くに凹部１８１を形成できる。また、樹脂接合膜１８は、熱伝導性や電気伝導性のよいアルミニウムや銅などの金属で形成することにより、第２電極１３の全体に成膜することができる。そのため、半導体素子１１の直近で、樹脂接合膜１８と封止樹脂１０との密着性を確保できる。
また、コールドスプレー法を使用した場合、樹脂接合膜１８の立体成形を容易かつ均質にでき、そのまま半田付けができる。樹脂接合膜１８を銅やニッケル、銀、銅にすることにより、半田付けを可能にすることがきるため、これまで第１及び第２電極１２，１３に施していたニッケルめっき、金めっきが不要になる。ニッケルめっきは封止樹脂との密着性が低下する要因となり、金めっきは非常に高価であった。この点でも、半導体装置１の価格を下げることが可能になる。
更に、コールドスプレー法によって成膜されたブロック電極１４や樹脂接合膜１８は、表面の凸凹によって毛細管現象が起きる。そのため、余剰の半田が凹部に吸収されて余分な半田のはみ出しが防止でき、半田が滴状になって余分な箇所に付着することを防止するなどの効果もある。
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることは言うまでもない。
例えば、図１には両面冷却用の半導体装置１を示して説明したが、半導体素子の片側にのみ電極を設ける片面冷却用の半導体装置であってもよい。
また、例えば、図５及び図７では、凹部１８１の形状として矩形の穴を例に挙げて説明したが、丸形状など、その他の形状であってもよい。

Claims (6)

  1. 半導体素子と、その半導体素子の一方の面又は両方の面に対向して配置された一枚又は二枚の基板とが、樹脂によって封止された半導体装置において、
    前記基板の一方又は両方に、コールドスプレー法によって金属の粉末を吹き付けて成膜した樹脂接合膜が形成され、その樹脂接合膜には、膜表面から深さ方向に空間が広がるようにした凹部が形成されたものであることを特徴とする半導体装置。
  2. 請求項１に記載する半導体装置において、
    前記凹部は、段状に形成されたものであることを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項１又は請求項２に記載する半導体装置において、
    前記基板は、前記半導体素子の両方の面に配置された第１電極と第２電極であり、前記半導体素子と前記第１電極の間に配置されたブロック電極が存在し、そのブロック電極が前記第１電極に対してコールドスプレー法によって成膜されものであることを特徴とする半導体装置。
  4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載する半導体装置において、
    前記凹部は、前記半導体素子や前記ブロック電極の周りを囲むように配置された複数の穴であることを特徴とする半導体装置。
  5. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載する半導体装置において、
    前記凹部は、前記半導体素子や前記ブロック電極の周りを囲む溝であることを特徴とする半導体装置。
  6. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載する半導体装置において、
    前記凹部は、前記半導体素子や前記ブロック電極の周りを囲む溝に重ねて、その溝幅より寸法の大きい矩形の穴が形成されたものであることを特徴とする半導体装置。
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