KR102245155B1 - 반도체 장치 - Google Patents

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마사오 하마사키
마사아키 히라코
료스케 오카와
료우 가토
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누보톤 테크놀로지 재팬 가부시키가이샤
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Abstract

반도체 장치(1)는, 10㎛≤tsi≤30㎛의 반도체층(40), Ag로 이루어지고 30㎛≤tag<60㎛의 금속층(31), 및 Ni로 이루어지고 10㎛≤tni<35㎛의 금속층(30)과, 트랜지스터(10 및 20)를 갖고, 트랜지스터(10 및 20)는 반도체층(40)의 주면(40a)측에 소스 전극 및 게이트 전극을 갖고, 금속층(31)은, 트랜지스터(10 및 20)의 공통 드레인 영역으로서 기능하고, 반도체층(40)의 장변 길이와 단변 길이의 비는 1.73 이하이고, 소스 전극에 있어서의 각 전극의 면적과 주변 길이의 비는 0.127 이하이고, 소스 전극 및 게이트 전극의 각 면적의 총합은 2.61㎟ 이하이고, 소스 전극의 단변 길이는 0.3㎜ 이하이고, 702<2.33×tsi+10.5×tag+8.90×tni<943의 관계식이 성립한다.

Description

반도체 장치
본 개시는 반도체 장치에 관한 것으로, 특히, 페이스 다운 실장이 가능한 칩 사이즈 패키지형의 반도체 장치에 관한 것이다.
종래, 제1 주면 및 제2 주면을 갖는 반도체층과, 당해 제1 주면으로부터 당해 제2 주면에 걸쳐 설치된 2개의 종형 전계 효과 트랜지스터와, 당해 제2 주면 상에 형성된 금속층을 구비하는 반도체 장치가 제안되어 있다. 이 구성에서는, 제1 트랜지스터로부터 제2 트랜지스터로 흐르는 전류 경로로서, 반도체 기판 내부를 수평 방향 경로뿐만 아니라, 도통 저항이 낮은 금속층 중의 수평 방향 경로도 사용할 수 있으므로, 반도체 장치의 온 저항의 저감이 가능하다.
특허문헌 1에서는, 상기 구성에 더하여, 금속층의 반도체 기판과는 반대측에 도전층이 형성된 플립 칩 실장형의 반도체 장치가 제안되어 있다. 이 도전층에 의해, 칩을 개편화하는 공정에 있어서, 금속층의 버의 발생을 억제할 수 있다고 되어 있다.
또, 특허문헌 2에서는, 상기 구성에 더하여, 금속층의 반도체 기판과는 반대측에 절연 피막이 형성된 플립 칩 실장형의 반도체 장치가 제안되어 있다. 이 절연 피막에 의해, 반도체 장치의 박형화를 유지하면서, 흠집이나 결손 등의 파손을 방지할 수 있다고 되어 있다.
일본 특허공개 2016-86006호 공보 일본 특허공개 2012-182238호 공보
그러나, 특허문헌 1 및 특허문헌 2에 개시된 반도체 장치에서는, 반도체 기판의 선팽창 계수보다 금속층의 선팽창 계수쪽이 크기 때문에, 온도 변화에 의한 반도체 장치의 휨이 발생한다. 예를 들어, 땜납을 접합재로 하여 반도체 장치를 플립 칩 실장하는 경우, 리플로 실장의 고온시에 있어서 반도체 장치의 휨이 발생한다. 반도체 장치의 휨이 크면 실장에 관한 문제가 일어나기 쉬워진다.
특허문헌 1에서는, 금속층의 반도체 기판과는 반대측에 도전층이 형성되어 있지만, 도전층의 주재료가 금속층과 동종의 금속이기 때문에, 온도 변화에 의한 반도체 장치의 휨을 경감시키는 데에 충분한 두께의 도전층 형성은, 제조상 용이하지 않다.
특허문헌 2에서는, 금속층의 반도체 기판과는 반대측에는, 반도체 장치의 박형화 및 파손의 방지를 실현하기 위한 절연 피막이 형성되어 있지만, 금속층의 두께가 저(低)온 저항을 확보하기 위해서 필요한 두께인 경우에는, 반도체 장치의 휨을 경감시키는 충분한 응력은 절연 피막에 발생하지 않는다.
또, 특허문헌 1 및 2에 개시된 반도체 장치에서는, 땜납을 접합재로 하여 플립 칩 실장하는 경우, 리플로 실장의 고온시에 있어서 반도체 장치의 자중이 땜납에 가해지기 때문에, 땜납이 돌출되는 등을 하여 접합 불량이 발생한다. 이 접합 불량은, 반도체 장치의 휨과도 관계되지만, 반도체 장치의 휨이 억제되는 것만으로 해소되는 것은 아니다.
요컨대, 특허문헌 1 및 2에 개시된 반도체 장치에서는, 온 저항을 저감시키면서, 반도체 장치의 휨의 억제와 땜납의 돌출 등에 의한 접합 불량의 해소를 양립하는 것은 곤란하다.
그래서, 본 개시는, 온 저항을 저감시키면서, 반도체 장치의 휨의 억제와 땜납의 돌출 등에 의한 접합 불량의 해소를 양립시킨 칩 사이즈 패키지형의 반도체 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 개시에 관련된 반도체 장치의 일 양태는, 페이스 다운 실장이 가능한 칩 사이즈 패키지형의 반도체 장치로서, 서로 배향하는 제1 주면 및 제2 주면을 갖는 반도체층과, 서로 배향하는 제3 주면 및 제4 주면을 갖고, 상기 제3 주면이 상기 제2 주면에 접촉하여 형성되고, 은으로 이루어지고, 두께가 30㎛ 이상 또한 60㎛보다 얇은 제1 금속층과, 서로 배향하는 제5 주면 및 제6 주면을 갖고, 상기 제5 주면이 상기 제4 주면에 접촉하여 형성되고, 니켈로 이루어지고, 두께가 10㎛ 이상 또한 35㎛보다 얇은 제2 금속층과, 상기 반도체층 내의 제1 영역에 형성된 제1 종형 MOS 트랜지스터와, 상기 제1 영역과 상기 제1 주면을 따른 방향에서 인접하는, 상기 반도체층 내의 제2 영역에 형성된 제2 종형 MOS 트랜지스터를 갖고, 상기 반도체층은, 상기 제1 주면 및 상기 제2 주면 중 상기 제2 주면측에 배치되고, 제1 도전형 불순물을 포함하는 실리콘으로 이루어지는 반도체 기판과, 상기 제1 주면 및 상기 제2 주면 중 상기 제1 주면측에 배치되고, 상기 반도체 기판에 접촉하여 형성되고, 상기 반도체 기판의 상기 제1 도전형 불순물의 농도보다 낮은 농도의 상기 제1 도전형 불순물을 포함하는 저농도 불순물층을 갖고, 상기 제1 종형 MOS 트랜지스터는 상기 저농도 불순물층의 표면에 제1 소스 전극 및 제1 게이트 전극을 갖고, 상기 제2 종형 MOS 트랜지스터는 상기 저농도 불순물층의 표면에 제2 소스 전극 및 제2 게이트 전극을 갖고, 상기 제1 소스 전극 및 상기 제1 게이트 전극과, 상기 제2 소스 전극 및 상기 제2 게이트 전극은, 상기 반도체층을 평면에서 보았을 경우에, 상기 반도체층의 장변을 이분하는 경계선에 대해 선대칭의 위치에 형성되고, 상기 반도체층의 두께는 10㎛ 이상 또한 30㎛ 이하이고, 상기 반도체 기판은, 상기 제1 종형 MOS 트랜지스터의 제1 드레인 영역 및 상기 제2 종형 MOS 트랜지스터의 제2 드레인 영역의 공통 드레인 영역으로서 기능하고, 상기 제1 소스 전극으로부터 상기 제1 드레인 영역, 상기 제1 금속층 및 상기 제2 드레인 영역을 경유한 상기 제2 소스 전극까지의 쌍방향 경로를 주전류 경로로 하고, 상기 반도체층의 장변 길이와 단변 길이의 비는 1.73 이하이고, 상기 제1 소스 전극 및 상기 제2 소스 전극에 있어서의 각 전극의 면적과 주변 길이의 비는 0.127 이하이고, 상기 제1 소스 전극, 상기 제1 게이트 전극, 상기 제2 소스 전극, 및 상기 제2 게이트 전극의 각 면적의 총합은 2.61㎟ 이하이고, 상기 제 1 소스 전극 및 상기 제2 소스 전극의 각 단변 길이는 0.3㎜ 이하이고, 상기 반도체층의 두께를 tsi(㎛), 상기 제1 금속층의 두께를 tag(㎛), 상기 제2 금속층의 두께를 tni(㎛)로 했을 때,
　702<2.33×tsi+10.5×tag+8.90×tni<943
의 관계식이 성립한다.
이 구성에 의하면, 저온 저항을 확보하기 위한 두께를 갖는 제1 금속층(Ag층) 및 제2 금속층(Ni층)이 접촉하고 있으므로, 반도체층과 제1 금속층의 접촉에 의해 발생하는 반도체 장치의 휨을 억제할 수 있다. 또, 전극 레이아웃 및 반도체 장치의 무게가 규정됨으로써, 땜납 돌출 및 보이드의 발생(이하, 땜납 돌출 및 보이드의 발생을 땜납 접합 불량이라고 한다)을 규격 내로 억제할 수 있다. 따라서, 온 저항을 저감시키면서, 반도체 장치의 휨의 억제와 땜납 접합 불량의 해소를 양립시킨 칩 사이즈 패키지형의 반도체 장치를 제공하는 것이 가능해진다.
본 개시에 관련된 반도체 장치에 의하면, 온 저항을 저감시키면서, 반도체 장치의 휨의 억제와 땜납 접합 불량의 해소를 양립시킨 칩 사이즈 패키지형의 반도체 장치를 제공하는 것이 가능해진다.
도 1은, 실시형태에 관련된 반도체 장치의 구조의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 2는, 실시형태에 관련된 반도체 장치의 전극 구성의 일례를 나타내는 상면도 및 쌍방향 전류의 흐름을 표시하는 단면 개략도이다.
도 3은, 실시형태에 관련된 반도체 장치의 충방전 회로에 대한 응용예를 나타내는 회로도이다.
도 4a는, Si층/Ag층의 적층 구성을 갖는 반도체 장치에 있어서의 Si층 두께에 대한 온 저항을, 시작 실험으로 확인한 결과의 그래프이다.
도 4b는, Si층/Ag층의 적층 구성을 갖는 반도체 장치에 있어서의 Ag층 두께에 대한 온 저항을, 시작 실험으로 확인한 결과의 그래프이다.
도 5a는, Si층/Ag층의 적층 구성을 갖는 반도체 장치에 있어서의 Ag층 두께/Si층 두께에 대한 휨량 및 온 저항을, 시작 실험으로 확인한 결과의 그래프이다.
도 5b는, Si층/Ag층/Ni층의 적층 구성을 갖는 반도체 장치에 있어서의 Ni층두께에 대한 휨량을, 시작 실험으로 확인한 결과의 그래프이다.
도 6a는, 실시형태에 관련된 반도체 장치의 리플로 실장 공정 및 온도 프로파일의 일례를 나타내는 도면이다.
도 6b는, 적층체(Si층/Ag층)에 있어서 반도체층측이 오목형이 되는 휨의 상태를 나타내는 적층체의 단면 개략도이다.
도 6c는, 적층체(Si층/Ag층)에 있어서 금속층측이 오목형이 되는 휨의 상태를 나타내는 적층체의 단면 개략도이다.
도 6d는, 적층체(Si층/Ag층)를 가열했을 경우의 휨량을 나타내는 그래프이다.
도 7은, Si층/Ag층/Ni층의 적층 구성을 갖는 반도체 장치의 휨과 전극 표면의 땜납 범프 형성의 관계를 나타내는 단면 개략도, 및 휨에 의한 땜납 퍼짐 부족을 나타내는 X선 투과 관찰 촬영도이다.
도 8은, Si층/Ag층/Ni층의 적층 구성을 갖는 반도체 장치에 있어서의 제1 막두께 환산 중량에 대한 실측 중량 및 휨량을 나타내는 그래프이다.
도 9는, 실시형태에 관련된 반도체 장치의 전극 레이아웃 구성의 바리에이션을 나타내는 도면이다.
도 10은, Si층/Ag층/Ni층의 적층 구성을 갖는 반도체 장치의 실장 후의 전극 표면에 있어서의 보이드 발생 상태를 나타내는 X선 투과 관찰 촬영도이다.
도 11은, 리플로 실장시에 땜납 범프에 가해지는 힘을 설명하는 도면이다.
도 12a는, 실시형태에 관련된 반도체 장치의 소스 전극의 레이아웃 구성을 나타내는 도면이다.
도 12b는, 실시형태에 관련된 반도체 장치의 소스 전극의 레이아웃 구성을 나타내는 도면이다.
도 12c는, 실시형태에 관련된 반도체 장치의 소스 전극의 레이아웃 구성을 나타내는 도면이다.
이하에서 설명하는 실시형태는, 모두 본 개시의 일 구체예를 나타내는 것이다. 이하의 실시형태에서 나타나는 수치, 형상, 재료, 구성 요소, 구성 요소의 배치 위치 및 접속 형태 등은 일례이고, 본 개시를 한정하는 주지는 아니다. 또, 이하의 실시형태에 있어서의 구성 요소 중, 최상위 개념을 나타내는 독립 청구항에 기재되어 있지 않은 구성 요소에 대해서는, 임의의 구성 요소로서 설명된다.
본 개시에 있어서, 「A와 B가 전기적으로 접속된다」란, A와 B가 배선을 개재하여 직접적으로 접속되는 경우와, A와 B가 배선을 개재하지 않고 직접적으로 접속되는 경우와, A와 B가 저항 성분(저항 소자, 저항 배선)을 개재하여 간접적으로 접속되는 경우를 포함한다.
(실시형태)
[1. 반도체 장치의 구조]
이하, 본 실시형태에 관련된 반도체 장치(1)의 구조에 대해 설명한다. 본 개시에 관련된 반도체 장치(1)는, 반도체 기판에 2개의 종형 MOS(Metal Oxide Semiconductor) 트랜지스터를 형성한, 페이스 다운 실장이 가능한 CSP(Chip Size Package:칩 사이즈 패키지)형의 멀티 트랜지스터 칩이다. 상기 2개의 종형 MOS 트랜지스터는 파워 트랜지스터이고, 이른바, 트렌치 MOS형 FET(Field Effect Transistor)이다.
도 1은, 실시형태에 관련된 반도체 장치(1)의 구조의 일례를 나타내는 단면도이다. 또, 도 2는, 실시형태에 관련된 반도체 장치(1)의 전극 구성의 일례를 나타내는 상면도 및 쌍방향 전류의 흐름을 표시하는 단면 개략도이다. 도 1의 단면도는, 도 2의 (a)의 I-I에 있어서의 절단면을 본 도면이다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 반도체 장치(1)는, 반도체층(40)과, 금속층(30 및 31)과, 제1 종형 MOS 트랜지스터(10)(이하, 트랜지스터(10))와, 제2 종형 MOS 트랜지스터(20)(이하, 트랜지스터(20))를 갖는다.
반도체층(40)(이하, Si층이라고 기재하는 경우가 있다)은, 서로 배향하는 주면(40a)(제1 주면) 및 주면(40b)(제2 주면)을 갖는다. 반도체층(40)은, 반도체 기판(32)과 저농도 불순물층(33)이 적층된 구성으로 되어 있다.
반도체 기판(32)은, 반도체층(40)의 주면(40b)측에 배치되고, 제1 도전형 불순물을 포함하는 실리콘으로 이루어진다.
저농도 불순물층(33)은, 반도체층(40)의 주면(40a)측에 배치되고, 반도체 기판(32)에 접촉하여 형성되고, 반도체 기판(32)의 제1 도전형 불순물의 농도보다 낮은 농도의 제1 도전형 불순물을 포함한다. 저농도 불순물층(33)은, 예를 들어, 에피택셜 성장에 의해 반도체 기판(32) 상에 형성되어도 된다.
금속층(31)(이하, Ag층이라고 기재하는 경우가 있다)은, 서로 배향하는 주면(31a)(제3 주면) 및 주면(31b)(제4 주면)을 갖고, 주면(31a)이 주면(40b)에 접촉하여 형성되고, 은(Ag)으로 이루어지고, 두께가 30㎛ 이상 또한 60㎛보다 얇은 제1 금속층이다.
금속층(30)(이하, Ni층이라고 기재하는 경우가 있다)은, 서로 배향하는 주면(30a)(제5 주면) 및 주면(30b)(제6 주면)을 갖고, 주면(30a)이 주면(31b)에 접촉하여 형성되고, 니켈(Ni)로 이루어지고, 두께가 10㎛ 이상 또한 35㎛보다 얇은 제2 금속층이다. 니켈(Ni)이 은(Ag)보다 영률이 크므로, 금속층(30)은 금속층(31)보다 영률이 크다.
또한, 금속층(30 및 31)에는, 금속 재료의 제조 공정에 있어서 불순물로서 혼입되는 금속 이외의 원소가 미량으로 포함되어 있어도 된다.
또, 도 1 및 도 2의 (a), (b)에 나타내는 바와 같이, Si층을 평면에서 보았을 경우, 제1 영역(A1)에 형성된 트랜지스터(10)는, 반도체층(40)의 주면(40a)측에 4개의 소스 전극(11a, 11b, 11c 및 11d)(각각, 소스 전극(11)에 상당)과, 1개의 게이트 전극(19)(제1 게이트 전극)을 가지고 있다. 또, 제1 영역(A1)과 주면(40a)을 따른 방향에서 인접하는 제2 영역(A2)에 형성된 트랜지스터(20)는, 4개의 소스 전극(21a, 21b, 21c 및 21d)(각각, 소스 전극(21)에 상당)과, 1개의 게이트 전극(29)(제2 게이트 전극)을 가지고 있다.
도 2의 (a)에 나타내는 바와 같이, 반도체 장치(1)는, 장방형인 Si층을 평면에서 보았을 경우, 장변 방향 중앙의 경계선(90C)을 대칭축으로 하여 서로 선대칭이 되는 위치에, 트랜지스터(10)가 형성되는 제1 영역(A1)과, 트랜지스터(20)가 형성되는 제2 영역(A2)을 갖는다.
트랜지스터(10)는, 제1 영역(A1)에 있어서의 저농도 불순물층(33)의 표면에, 게이트 전극(19)과, 복수의 소스 전극(11)(소스 전극(11a∼11d))을 갖는다.
게이트 전극(19)은, Si층을 평면에서 보았을 경우, Si층의 일방의 단변(93)과의 사이에 다른 전극을 사이에 두지 않고 형성되어 있다.
소스 전극(11)(제1 소스 전극:소스 전극(11a∼11d))은, Si층을 평면에서 보았을 경우, 대략 장방형 형상의 것을 복수 포함하고, 이들 복수의 대략 장방형 형상의 소스 전극(11a∼11d)은, 각각의 길이 방향이 Si층의 장변과 평행이고, 스트라이프 형상으로 배치되어 있다.
트랜지스터(20)는, 제2 영역(A2)에 있어서의 저농도 불순물층(33)의 표면에, 게이트 전극(29)과, 복수의 소스 전극(21)(소스 전극(21a∼21d))을 갖는다.
게이트 전극(29)은, Si층을 평면에서 보았을 경우, Si층의 타방의 단변(94)과의 사이에 다른 전극을 사이에 두지 않고 형성되어 있다.
소스 전극(21)(제2 소스 전극:소스 전극(21a∼21d))은, Si층을 평면에서 보았을 경우, 대략 장방형 형상의 것을 복수 포함하고, 이들 복수의 대략 장방형 형상의 소스 전극(21a∼21d)은, 각각의 길이 방향이 Si층의 장변과 평행이고, 스트라이프 형상으로 배치되어 있다.
여기서, 소스 전극(11a∼11d 및 21a∼21d)의 각각이 갖는 대략 장방형 형상은, 장변 단부가 도 2의 (a)에 나타나는 원호 형상이나 다각형으로 모따기된 형상의 것도 포함한다.
여기서, 게이트 전극(19) 및 소스 전극(11)과, 게이트 전극(29) 및 소스 전극(21)은, Si층을 평면에서 보았을 경우, Si층의 장변(91 및 92)의 각각을 이분하는 경계선(90C)에 대해 선대칭의 위치에 형성된다.
또한, 게이트 전극(19)의 수 및 게이트 전극(29)의 수는, 각각 1 이상이면 되고, 반드시 도 2의 (a)에 예시된 1에 한정되는 것은 아니다.
또, 소스 전극(11)에 있어서의 소스 전극의 수 및 소스 전극(21)에 있어서의 소스 전극의 수는, 각각 복수이면 되고, 반드시, 도 2의 (a)에 예시된 4에 한정되는 것은 아니다.
또한, 게이트 전극(19) 및 게이트 전극(29)의 형상은, 반도체층(40)의 장변 방향과 평행한 방향의 폭이, 반도체층(40)의 단변 방향과 평행한 방향의 폭보다 넓어도 된다. 혹은 도 2의 (a)에 나타내는 바와 같이 원형이어도 된다.
도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 저농도 불순물층(33)의 제1 영역(A1)에는, 제1 도전형과 상이한 제2 도전형 불순물을 포함하는 보디 영역(18)이 형성되어 있다. 보디 영역(18)에는, 제1 도전형 불순물을 포함하는 소스 영역(14), 게이트 도체(15), 및 게이트 절연막(16)이 형성되어 있다. 소스 전극(11)은 부분(12)과 부분(13)으로 이루어지고, 부분(12)은, 부분(13)을 개재하여 소스 영역(14) 및 보디 영역(18)에 접속되어 있다. 게이트 도체(15)는, 게이트 전극(19)에 전기적으로 접속된다.
소스 전극(11)의 부분(12)은, 리플로 실장시에 땜납과 접합되는 층이고, 한정되지 않는 일례로서, 니켈, 티탄, 텅스텐, 팔라듐 중 어느 1개 이상을 포함하는 금속 재료로 구성되어도 된다. 부분(12)의 표면에는, 금 등의 도금이 실시되어도 된다.
소스 전극(11)의 부분(13)은, 부분(12)과 반도체층(40)을 접속하는 층이고, 한정되지 않는 일례로서, 알루미늄, 구리, 금, 은 중 어느 1개 이상을 포함하는 금속 재료로 구성되어도 된다.
저농도 불순물층(33)의 제2 영역(A2)에는, 제1 도전형과 상이한 제2 도전형 불순물을 포함하는 보디 영역(28)이 형성되어 있다. 보디 영역(28)에는, 제1 도전형 불순물을 포함하는 소스 영역(24), 게이트 도체(25), 및 게이트 절연막(26)이 형성되어 있다. 소스 전극(21)은 부분(22)과 부분(23)으로 이루어지고, 부분(22)은, 부분(23)을 개재하여 소스 영역(24) 및 보디 영역(28)에 접속되어 있다. 게이트 도체(25)는, 게이트 전극(29)에 전기적으로 접속된다.
소스 전극(21)의 부분(22)은, 리플로 실장시에 땜납과 접합되는 층이고, 한정되지 않는 일례로서, 니켈, 티탄, 텅스텐, 팔라듐 중 어느 1개 이상을 포함하는 금속 재료로 구성되어도 된다. 부분(22)의 표면에는, 금 등의 도금이 실시되어도 된다.
소스 전극(21)의 부분(23)은, 부분(22)과 반도체층(40)을 접속하는 층이고, 한정되지 않는 일례로서, 알루미늄, 구리, 금, 은 중 어느 1개 이상을 포함하는 금속 재료로 구성되어도 된다.
트랜지스터(10 및 20)의 상기 구성에 의해, 반도체 기판(32)은, 트랜지스터(10)의 제1 드레인 영역 및 트랜지스터(20)의 제2 드레인 영역이 공통화된, 공통 드레인 영역으로서 기능한다. 또, 반도체 장치(1)는, 소스 전극(11)으로부터 제1 드레인 영역, 금속층(31) 및 제2 드레인 영역을 경유한 소스 전극(21)까지의 쌍방향 경로를 주전류 경로로 한다.
보디 영역(18) 및 보디 영역(28)은, 개구를 갖는 층간 절연층(34)으로 덮이고, 층간 절연층(34)의 개구를 통해서 소스 영역(14) 및 소스 영역(24)에 접속되는 소스 전극의 부분(13 및 23)이 설치되어 있다. 층간 절연층(34) 및 소스 전극의 부분(13 및 23)은, 개구를 갖는 패시베이션층(35)으로 덮이고, 패시베이션층(35)의 개구를 통해서 소스 전극의 부분(13, 23)에 각각 접속되는 부분(12 및 22)이 설치되어 있다.
또, 본 실시형태에 관련된 반도체 장치(1)에 있어서의 각 구조체의 표준적인 설계예는, 반도체층(40)의 두께가 20㎛이고, 금속층(30 및 31)의 두께의 합이 80㎛이고, 층간 절연층(34)과 패시베이션층(35)의 두께의 합이 8㎛이다.
[2. 반도체 장치의 동작]
도 1에 나타내는 반도체 장치(1)에 있어서, 예를 들어, 제1 도전형을 N형, 제2 도전형을 P형으로 하여, 소스 영역(14), 소스 영역(24), 반도체 기판(32), 및 저농도 불순물층(33)은 N형 반도체이고, 또한, 보디 영역(18) 및 보디 영역(28)은 P형 반도체이어도 된다.
또, 예를 들어, 제1 도전형을 P형, 제2 도전형을 N형으로 하여, 소스 영역(14), 소스 영역(24), 반도체 기판(32), 및 저농도 불순물층(33)은 P형 반도체이고, 또한, 보디 영역(18) 및 보디 영역(28)은 N형 반도체이어도 된다.
이하의 설명에서는 제1 도전형을 N형, 제2 도전형을 P형으로 한, 이른바 N 채널형 트랜지스터의 경우로서, 반도체 장치(1)의 도통 동작에 대해 설명한다.
도 1에 나타내는 반도체 장치(1)에 있어서, 소스 전극(11)에 고전압 및 소스 전극(21)에 저전압을 인가하고, 소스 전극(21)을 기준으로 하여 게이트 전극(29)(게이트 도체(25))에 역치 이상의 전압을 인가하면, 보디 영역(28) 중의 게이트 절연막(26)의 근방에 도통 채널이 형성된다. 그 결과, 소스 전극(11)-보디 영역(18)-저농도 불순물층(33)-반도체 기판(32)-금속층(31)-반도체 기판(32)-저농도 불순물층(33)-보디 영역(28)에 형성된 도통 채널-소스 영역(24)-소스 전극(21)이라는 경로로 전류가 흘러 반도체 장치(1)가 도통 상태가 된다. 또한, 이 도통 경로에 있어서의, 보디 영역(18)과 저농도 불순물층(33)의 접촉면에는 PN 접합이 있고, 보디 다이오드로서 기능하고 있다. 또, 이 온 전류는 금속층(31)을 흐르기 때문에, 금속층(31)을 두껍게 함으로써, 온 전류 경로의 단면적이 확대되어, 반도체 장치(1)의 온 저항은 저감시킬 수 있다. 이 도통 상태는, 후술하는 도 3에 있어서의 충전 상태의 경우이다.
[3. 반도체 장치의 휨 저감과 저온 저항을 양립시키는 구성]
도 3은, 반도체 장치(1)의 스마트폰이나 태블릿의 충방전 회로에 대한 응용예를 나타내는 회로도이고, 반도체 장치(1)는, 제어(IC2)로부터 부여되는 제어 신호에 따라, 전지(3)로부터 부하(4)로의 방전 동작 및 부하(4)로부터 전지(3)로의 충전 동작을 제어한다. 이와 같이 스마트폰이나 태블릿의 충방전 회로로서, 반도체 장치(1)가 적용되는 경우, 충전 시간 단축이나 급속 충전 실현의 제약으로부터, 온 저항은, 20V 내압 사양으로서, 2.2∼2.4mΩ 이하가 요구된다.
도 4a는, Si층/Ag층의 적층 구성을 갖는 반도체 장치에 있어서의 Si층 두께에 대한 온 저항을, 시작 실험으로 확인한 결과의 그래프이다. 또, 도 4b는, Si층/Ag층의 적층 구성을 갖는 반도체 장치에 있어서의 Ag층 두께에 대한 온 저항을, 시작 실험으로 확인한 결과의 그래프이다.
도 4a에 나타내는 바와 같이, Si층을 73㎛에서 20㎛까지 박막화함으로써 약 0.3mΩ의 저온 저항화가 가능하고, 도 4b에 나타내는 바와 같이, Ag층을 30㎛에서 50㎛까지 후막화함으로써 약 0.1mΩ의 저온 저항화가 가능하다. Si층은, 또한 박막화함으로써 저온 저항화를 진행시킬 수 있지만, 반도체 기판 웨이퍼면 내의 막두께 편차 증대나, 국소적으로 균열이나 크랙이 발생하기 쉬워진다는 제조 공정상의 과제가 현재화되기 때문에, 10㎛를 하회하는 두께에서의 안정적인 박막화는 곤란하다. 또, Ag층의 50㎛를 상회하는 후막화는 저온 저항화에 대한 기여가 수속되는 영역에 있고, 특히 60㎛를 상회하면 거의 개선의 효과가 없다고 판단할 수 있다.
도 4a에 나타내는 바와 같이, Si층/Ag층에 있어서의 온 저항을 2.4mΩ 이하로 하기 위해서는, Si층 두께는 30㎛ 이하인 것이 바람직하다. 이것과, Si층 박막화의 가공 한계에서, Si층 두께는, 10㎛ 이상 또한 30㎛ 이하인 것이 바람직하다.
단, Si층 및 Ag층의 두께를 충분한 저온 저항에 필요한 것으로 제어하면, 반도체 장치(1)의 휨이 증대되는 경향이 있다. 반도체 장치(1)가 실장 기판에 실장되는 경우에는, 소스 전극(11), 게이트 전극(19), 소스 전극(21) 및 게이트 전극(29)은, 땜납 등의 도전성 접합재를 개재하여, 실장 기판 상에 설치된 전극과, 페이스 다운에 의해 접합된다. 이 경우, 반도체 장치(1)의 휨이 클수록, 소스 전극(11), 게이트 전극(19), 소스 전극(21) 및 게이트 전극(29)과, 실장 기판 상에 설치된 전극의 전기적 접속이 불안정해진다. 요컨대, 반도체 장치(1)의 실장 기판에 대한 실장을 보다 안정화시키기 위해서는, 반도체 장치(1)의 휨을, 보다 작게 할 필요가 있다.
도 5a는, Si층/Ag층의 적층 구성을 갖는 반도체 장치에 있어서의 Ag층 두께/Si층 두께(Ag층 두께를 Si층 두께로 나눈 값)에 대한 휨량 및 온 저항을, 시작 실험으로 확인한 결과의 그래프이다. 보다 구체적으로는, 동 도면에는, 장변 길이가 3.40㎜(도 2의 L1) 또한 단변 길이가 1.96㎜(도 2의 L2)인 반도체 장치에 있어서의 온 저항, 및 250℃에 있어서의 휨량이 나타나 있다.
도 5a로부터, 온 저항이 2.4mΩ 이하를 만족시키는 Ag층 두께/Si층 두께는, 1.0 이상인 것이 요구된다. 이것과, 도 4b로부터 도출되는 Ag층 두께의 상한값으로부터, Ag층 두께는, 30㎛ 이상 또한 60㎛보다 얇은 것이 바람직하다.
한편, 도 5a에 나타내는 바와 같이, Ag층 두께/Si층 두께가 1.0 이상인 범위에서는, 250℃에 있어서의 휨량이, JEITA 등의 허용 규격값인 60㎛ 이하가 되지 않는다.
이에 대해, Ni층은, 반도체 장치(1)의 저온 저항을 확보하면서, 반도체 장치(1)에 발생하는 휨을 억제하기 위해서 배치되어 있다. 이것은, Ag층을 Si층과 Ni층 사이에 둔 구조이고, Ag층의 양면의 응력 밸런스의 관점에서, Ni층은, Si층과 동일한 정도의 재료 물성, 또한 동일한 정도의 두께를 갖는 것이 휨량의 억제로서는 바람직하다. 그러나, 그러한 금속 재료는 존재하지 않기 때문에, Ni층은, 적어도, Ag층이 갖는 재료 물성값보다 Si층의 재료 물성값에 가까운 재료 물성값을 가지고 있는 것이 필요해진다. 또한, Ag층의 양면의 응력 밸런스의 관점에서, Ni층은, Si층보다 두꺼운 것이 바람직하다.
표 1에, 반도체층(40)/금속층(31)/금속층(30)의 예인 Si층/Ag층/Ni층에 있어서의 전형적인 각 층의 막두께 및 물성값을 예시한다.
[표 1]
Figure 112020137358531-pct00001
표 1에 나타내는 바와 같이, Ni층을 구성하는 금속 재료 Ni의 영률은, Ag층을 구성하는 금속 재료 Ag의 영률보다 크다. 또, Ag층은 Si층보다 두껍다. 또한 Ni층을 구성하는 제2 금속 재료의 선팽창 계수는, Ag층을 구성하는 제1 금속 재료의 선팽창 계수보다 작다. Ni층의 선팽창 계수가 Ag층의 선팽창 계수보다 작음으로써, 반도체 장치(1)의 온도 변화에 의한 휨을 억제할 수 있다.
도 5b는, Si층/Ag층/Ni층의 적층 구성을 갖는 반도체 장치에 있어서의 Ni층 두께에 대한 휨량을, 시작 실험으로 확인한 결과의 그래프이다. 동 도면에는, Si층의 두께가 20㎛이고, Ag층의 두께가 50㎛인 경우의, Ni층의 두께를 변화시켰을 때의 반도체 장치에 발생하는 휨량을 계산한 결과가 나타나 있다.
동 도면에 나타내는 바와 같이, Ni층 두께가 클수록 휨의 억제에 효과가 있지만, 대략 10㎛를 상회하면 휨의 억제 효과가 크고, Ni층 두께를 크게 함에 따라, 휨의 억제 효과는 수속되어 오는 것을 알 수 있다. 이 때문에 휨을 억제하는 관점에서는, Ni층은, 10㎛∼35㎛의 범위에 있는 것이 효과적이다.
또한, 도 5b에서는, 반도체층(40)의 장변 길이 L1을 3.40㎜로 하고, 단변 길이 L2를 1.96㎜로 하고, Si층의 두께를 20㎛로 하고, Ag층의 두께가 50㎛인 반도체 장치를 상정하고 있다. 또, 휨량은, 후술하는 리플로의 온도 프로파일을 상정하고, 250℃로 고온화했을 때의 휨량을 수치화하고 있다.
[4. 반도체 장치의 실장]
반도체 장치(1)는, 게이트 전극(19), 소스 전극(11), 게이트 전극(29), 및 소스 전극(21)이, 실장 기판의 실장면과 대향하도록 페이스 다운 배치되고, 땜납 등의 접합재를 개재하여 리플로에 의해 반도체 장치(1)에 일정한 압력(예를 들어 실장 기판과 반도체 장치(1)의 간격이 80㎛가 되도록)을 가하면서 실장 기판에 실장된다.
도 6a는, 실시형태에 관련된 반도체 장치(1)의 리플로 실장의 공정 및 온도 프로파일의 일례를 나타내는 도면이다. 리플로 실장은, 접합재로서 땜납을 사용하는 것이 일반적이다. 땜납을 접합재로 하여 반도체 장치(1)를 실장하는 경우, 실장 기판의 소정 위치에 땜납을 인쇄하고, 거기에 반도체 장치(1)를 페이스 다운으로 가압한 후, 리플로라고 불리는 열처리를 실시한다. 본 발명자들은, 일례로서, 도 6a와 같은 온도 프로파일로 리플로를 실시하고 있다. 리플로 실장 공정에서는, 일단, 땜납을 융해시키기 위해 융해 온도인 220℃ 부근을 초과하여 250℃ 근처까지 고온화한다. 그 후의 냉각 과정에서 땜납이 굳어지고, 접합이 강고해져 실장이 완료된다. 본 개시에서는, 이후, 리플로를 실시하여 실장하는 것을 리플로 실장이라고 기재한다. 요컨대, 땜납을 접합재로서 사용하여, 땜납의 융해 온도 이상까지 고온화하고, 냉각시키는 일련의 열처리를 총칭하여 리플로 실장이라고 정의한다.
또한, 도 6a의 온도 프로파일은 일례이고, 열처리의 방법은 이것에 한정되는 것은 아니다.
또, 본 개시에서 말하는 반도체 장치의 휨이란, 온도 변화에 의해 반도체 장치에 발생하는 휨이고, 실장 문제의 요인이 될 수 있는 고온시의 휨을 말한다. 특별히 언급하지 않는 한, 휨 또는 고온시의 휨이라고 할 때에는, 땜납 융해 온도 이상의 온도에 있어서의 휨을 말하는 것으로 한다.
반도체 장치(1)는 Si층과 Ag층의 적층체(Si층/Ag층)를 포함하고 있다. 금속쪽이 실리콘보다 선팽창 계수가 크기 때문에 환경 온도에 따라 반도체 장치(1)에 휨이 발생한다.
도 6b는, 적층체(Si층/Ag층)에 있어서 Si층측이 오목형이 되는 휨의 상태를 나타내는 당해 적층체의 단면 개략도이다. 또, 도 6c는, 적층체(Si층/Ag층)에 있어서 Ag층측이 오목형이 되는 휨의 상태를 나타내는 당해 적층체의 단면 개략도이다.
이하, 도 6b에 나타나는 Si층측이 오목형이 되는 휨을 「양의 휨」이라고 부르고, 도 6c에 나타나는 Ag층측이 오목형이 되는 휨을 「음의 휨」이라고 부른다. 또, 도 6b, 도 6c에 나타내는 바와 같이, 적층체(Si층/Ag층)가 휘어졌을 때의 장변 방향 중앙부와 원단부(遠端部)의 고저차를 휨량이라고 부른다.
도 6d는, 적층체(Si층/Ag층)를 가열했을 경우의 휨량을 나타내는 그래프이다. 보다 구체적으로는, 도 6d에는, 장변 길이 L1이 3.40㎜이고, 단변 길이 L2가 1.96㎜이고, Si층의 두께가 70㎛이고, Ag층의 두께가 30㎛인 적층체(Si층/Ag층)를 가열했을 때의 휨량을 나타내는 그래프이다.
도 6d 에 있어서, 실선으로 나타나는 데이터는, Si층에, 도금법 등에 의해 Ag층이 추가 형성된 적층체(Si층/Ag층)의 첫회 가열시의 데이터이다. 여기서, 50℃ 부근을 경계로 하여 휨의 방향이 반전되어 있는 것은, 도금시의 온도가 50℃ 부근이므로, Ag층은 50℃보다 저온이 되면 수축되고, 50℃보다 고온이 되면 신장하기 때문으로 생각된다. 또, 180℃ 부근에서 휨량이 한 번 저하되어 있는 것은, 도금법에 의해 형성된 Ag층을 구성하는 금속 결정이 180℃ 정도에서 재결정화되어, 열에 대한 물리 정수가 변화하기 때문으로 생각된다. 또한, 이와 같은 금속의 재결정화는, Ag층의 구성종이나 두께뿐만 아니라 제막(製膜) 방법 및 제막 조건 등에 영향을 받기 때문에, 모든 제막 방법 및 제막 조건에 대해 반드시 볼 수 있는 현상이라는 것은 아니다.
한편, 파선으로 나타나는 데이터는, 첫회 가열시에 250℃까지 가열한 적층체(Si층/Ag층)를, 상온까지 냉각시킨 후에, 재가열했을 때의 데이터이고, 첫회 가열시의 데이터에 있는 그래프 형상의 기복은 볼 수 없다. 이것은, 첫회 가열시에 Ag층을 구성하는 금속이 재결정화된 것에 의한 것으로 생각된다.
이들 데이터로부터, 적층체(Si층/Ag층)는, 50℃ 이하의 상온에서는 음의 휨이 발생하고, 100℃ 이상의 고온시(예를 들어, 리플로 실장시에 있어서의 땜납의 융해 온도 부근인 180℃∼220℃시)에서는, 20∼30㎛라는 양의 휨이 발생하는 것을 알 수 있다.
[5. 반도체 장치의 실장에서 기인한 접합 불량 대책]
Ni층을 부가함으로써, 반도체 장치(1)의 휨 억제에 효과가 있지만, 저온 저항화를 위해서 Ag층을 50㎛까지 두껍게 하고, 또한, 반도체 장치(1)의 휨 억제를 위해서 Ni층을 30㎛까지 두껍게 하면, 반도체 장치(1)의 중량이 커진다. 반도체 장치(1)의 중량이 커지면, 반도체 장치(1)의 휨과는 다른 과제로서, 반도체 장치(1)의 실장시에 접합 불량을 일으키기 쉬워진다. 반도체 장치(1)를 페이스 다운 실장하는 경우, 반도체 장치(1)의 중량이 과도하게 커지면, 동일한 실장 조건이어도 땜납을 가압하는 힘이 커진다. 그 결과, 땜납이 소스 전극(11) 및 소스 전극(21), 그리고 실장 기판에 형성된 기판 전극의 범위에서 돌출되어, 쇼트 불량을 일으킬 가능성이 높아진다.
또, Ni층이 부가되어도 반도체 장치(1)의 휨을 완전히 소실시키는 것은 어렵고, 저온 저항화를 위해서는, 반도체 장치(1)의 휨 발생과 중량 증대의 2개의 과제에 대처하지 않으면 안 된다. 본 발명자들은 예의 검토를 실시한 결과, 각 전극의 형상, 배치, 및 총면적을 연구함으로써 상기 과제를 회피할 수 있는 것을 알아내었다.
본 실시형태에 관련된 반도체 장치(1)는, 주로 Si층, Ag층, 및 Ni층으로 구성되어 있다. 즉, 반도체 장치(1)의 단위 면적당 중량(제1 막두께 환산 중량)은, Si, Ag, 및 Ni의 각 중량 밀도를 사용하여, 각 층의 두께를 측정함으로써, 이하의 식 1로 나타내는 관계식에 의해 산정할 수 있다.
제1 막두께 환산 중량=2.33×tsi+10.5×tag+8.90×tni (식 1)
또한, 식 1에 있어서, tsi는 반도체층(40)(Si층)의 두께(㎛)이고, tag는 금속층(31)(Ag층)의 두께(㎛)이고, tni는 금속층(30)(Ni층)의 두께(㎛)이다. 또, 2.33(g/㎤), 10.5(g/㎤), 8.90(g/㎤)은, 각각, Si, Ag, Ni의 중량 밀도이다. 또한, 식 1의 제1 막두께 환산 중량은, 실측 중량과 강한 상관성을 가지고 있다. 또한 식 1의 제1 막두께 환산 중량은, 하기 식 2에 의해, 제2 막두께 환산 중량(㎎)으로 변환할 수 있다.
제2 막두께 환산 중량(㎎)
=0.0067×(2.33×tsi+10.5×tag+8.90×tni) (식 2)
요컨대, 식 2의 계수(0.0067)는, 식 1에 있어서 반도체 장치(1)의 각 층의 두께를㎛ 단위로 측장(測長)하고, 또한, 중량 밀도를 (g/㎤) 단위의 것을 사용하여 얻어진 제1 막두께 환산 중량을, ㎎ 단위로 환산하기 위한 계수이다. 보다 구체적으로는, 제2 막두께 환산 중량은, 단위 면적당 중량인 제1 막두께 환산 중량에 대해, 실제의 반도체 장치의 크기(3.40㎜×1.96㎜:도 2에 있어서의 L1×L2)를 적용하고, ㎎ 표기한 것이다.
또, 실측 중량은, 20개의 반도체 장치(1)의 제작 샘플의 평균 중량이다.
식 2로부터, 반도체 장치(1)의 각 층의 두께를 파악함으로써, 반도체 장치(1)의 중량을 고정밀도로 예측하는 것이 가능해진다.
표 2에, 반도체 장치의 Si층, Ag층, Ni층의 두께를 다양하게 바꾼 시료에 있어서의 리플로 실장 후의 실장 문제 발생률을 나타낸다.
[표 2]
Figure 112020137358531-pct00002
리플로 실장 후의 실장 문제에 대해서는, 이하의 3항목을 중심으로 판정했다.
(1) 전극 외주로부터 외부로의 땜납 돌출에 의한 문제
(2) 땜납 돌출의 1종이지만, 돌출한 땜납이 전극 외주보다 외부로 튀어나와 볼 형상으로 부유하거나, 반도체 장치의 측면 부분에서 반구상으로 고착되거나 하는 문제
(3) 본래는 소정의 영역 전체에 퍼지는 것이 바람직한 땜납이, 일부의 영역에서는 퍼지지 않는 문제. 이것에 대해서는, 보이드율 및 보이드 발생률로서 카운트했다.
또한, 보이드율이란, 반도체 장치에 구비되는 모든 전극에 대해, 식 3의 산출식에 기초하여 개개로 수치화했다.
보이드율(％)=보이드 면적/전극 면적 (식 3)
또, 표준 규격 IPC-7095에 준거하여, 보이드율의 크기에 따라 보이드의 발생 정도를 Class I로부터 Class III까지 구분한다. 보이드 발생률이란, Class I로 분류되는 전극의 발생률이 몇％, Class II로 분류되는 전극의 발생률이 몇％ 라는 표현으로 평가된다.
땜납 돌출이나 보이드의 발생을 완전히 억제하는 것은 매우 어렵다. 또, 정도가 경미한 땜납 돌출이나 보이드는 제품의 기능에 대한 영향은 거의 없기 때문에, 표 2에서는, 접합 오픈 불량, 쇼트 불량과 같은 치명적인 불량에 이를 우려가 있을 정도의 큰 땜납 돌출이나 보이드의 발생만을 불합격의 대상으로 하고 있다.
따라서, 반도체 장치의 땜납의 상태에 의한 불량 판정을, 이하와 같은 기준에 의해 실시하고 있다.
(A) 땜납 돌출:인접하는 전극과의 간격의 반을 초과하여 돌출되는 경우에는 불량으로 판정
(B) 땜납 볼, 측면 부착:발생이 관찰되면 불량으로 판정
(C) 보이드율:반도체 장치에 구비되는 모든 전극에 대해 개개로 보이드율을 산출하고, 표준 규격 IPC-7095에 준거하여, 보이드율이 Class I의 구분으로부터도 벗어나는 33％ 이상이 되는 것은 불량으로 판정
표 2에 나타낸 시료(반도체 장치)는, Si층의 장변 길이 L1이 3.40㎜이고, 단변 길이 L2가 1.96㎜이다. 또, 소스 전극(11), 소스 전극(21), 게이트 전극(19), 및 게이트 전극(29)의 레이아웃 배치는, 도 2의 (a)에 나타낸 레이아웃 배치와 동일하다. 또, 표 2에 있어서, 「소스 전극 대(大)」는, 도 2의 (a)에 있어서의 소스 전극 중 면적이 큰 소스 전극(11a, 11d, 21a 및 21d)에 대응하고, 「소스 전극 소(小)」는, 도 2의 (a)에 있어서의 소스 전극 중 면적이 작은 소스 전극(11b, 11c, 21b 및 21c)에 대응하고 있는 것을 나타낸다.
또한, 표 2에 있어서, 상기 (A)∼(C)의 기준을 만족시키지 않는(불량으로 판정된) 수치를 굵은 글씨로 표시하고 있다.
표 2에 의하면, Ag층 또는 Ni층이 두꺼울수록, 반도체 장치(1)의 실측 중량은 증대되고, 휨량은 저감되는 경향이 있는 것을 알 수 있다. 또, 실장 문제 상황에 대해서는, 이하와 같은 경향이 나타나 있다.
(i) Ag층 또는 Ni층이 얇을수록, 실측 중량은 작고 휨량은 크며, 보이드율이 높지만, 땜납 돌출 불량, 땜납 볼, 및 측면 부착 불량은 볼 수 없다.
(ii) Ag층 또는 Ni층이 두꺼울수록, 실측 중량은 크고, 휨량은 작고, 땜납 돌출 불량 및 측면 부착 불량의 발생률이 높지만, 보이드 불량은 볼 수 없다.
상기 (i) 및 (ii)의 경향은 이하와 같이 설명할 수 있다.
도 7은, Si층/Ag층/Ni층의 적층 구성을 갖는 반도체 장치의 휨과 전극 표면의 땜납 범프 형성의 관계를 나타내는 단면 개략도, 및 휨에 의한 땜납 퍼짐 부족을 나타내는 X선 투과 관찰 촬영도이다. 또한, 본 실시형태에 있어서, 땜납 범프의 형태는 LGA(Land Grid Array) 형이지만, BGA(Ball Grid Array)형이어도 되고, 범프의 형태에는 한정되지 않는다.
상기 (i)의 경우에는, 땜납을 압출할 정도의 중량이 전극에 가해지지 않기 때문에, 땜납 돌출 불량은 볼 수 없다. 그러나, 도 7에 나타내는 바와 같이, 휨량은 크기 때문에 Si층을 평면에서 보았을 경우의 중앙 부근에서는, 리플로 실장에서의 고온시의 양의 휨 때문에 전극과 실장 기판의 거리가 커져, 소스 전극(11) 및 소스 전극(21)에서는, 경계선(90C)측에 있어서, 땜납이 충분히 퍼질 수 없는 영역(땜납 퍼짐 부족)이 발생한다. 이와 같은 영역은 보이드로서 산출된다.
상기 (ii)의 경우에는, 반도체 장치의 휨량이 작기 때문에, 도 7에 나타낸 바와 같은 땜납의 퍼짐 부족은 발생하지 않고, 반대로, 반도체 장치의 중량이 큰 것에서 기인한 땜납 돌출 불량이 많아진다.
표 2로부터, 상기 (A)(땜납 돌출 규격 외 발생률이 0％), (B) (땜납 측면 부착 발생률이 0％), 및 (C) (보이드율이 33％ 미만)을 만족시키는 Ag층의 두께는, 30㎛ 이상 또한 60㎛보다 얇은 것을 들 수 있다. 또, 표 2로부터, 상기 (A) (땜납 돌출 규격 외 발생률이 0％), (B) (땜납 측면 부착 발생률이 0％), 및 (C) (보이드율이 33％ 미만)를 만족시키는 Ni층의 두께는, 10㎛ 이상 또한 35㎛보다 얇은 것을 들 수 있다.
도 8은, Si층/Ag층/Ni층의 적층 구성을 갖는 반도체 장치에 있어서의 제1 막두께 환산 중량에 대한 실측 중량 및 휨량을 나타내는 그래프이다. 도 8은, 표 2에 있어서의 상기 (i) 및 (ii)의 경향을 시각화한 것이다. 도 8의 그래프에 있어서, 가로축은 식 1에 의해 산출한 반도체 장치의 제1 막두께 환산 중량이고, 좌측의 세로축은 반도체 장치의 실측 중량이고, 우측의 세로축은 반도체 장치의 휨량이다.
도 8에 있어서, 일점 쇄선으로 둘러싸인 영역은, 보이드에 관한 규격 외 불량이 발생하는 범위이고, 파선으로 둘러싸인 영역은, 땜납 돌출에 관한 규격 외 불량이 발생하는 범위이다. 일점 쇄선으로 둘러싸인 영역은 반도체 장치의 휨에서 기인하는 불량이므로, 그래프의 좌측(중량이 작은 영역)에 치우쳐 존재한다. 한편, 파선으로 둘러싸인 영역은 반도체 장치의 중량에서 기인하는 불량이므로, 그래프의 우측(중량이 큰 영역)에 치우쳐 존재한다.
요컨대, 반도체 장치의 휨 및 중량에서 기인하는 땜납 접합 불량을 회피할 수 있는 범위는, 도 8의 일점 쇄선 및 파선으로 둘러싸이지 않은 범위이다. 동 도면에 나타내는 상관 관계로부터, 반도체 장치의 실장에서 기인한 땜납 접합 불량이 발생하지 않는 범위는, 식 1로 나타내는 제1 막두께 환산 중량이 702보다 크고, 또한, 943보다 작은 범위이다. 즉, 본 실시형태에 관련된 반도체 장치(1)는, 이하의 식 4를 만족시킨다.
702<2.33×tsi+10.5×tag+8.90×tni<943 (식 4)
또한, 반도체 장치(1)의 휨량이 허용값(예를 들어 40㎛ 정도)을 상회하는 것은 바람직하지 않다. 또한, 여기서의 휨량의 허용값(40㎛)은, JEITA 등의 허용 규격값인 60㎛로부터 제조 편차 마진(예를 들어 1.5배)를 고려한 값(60㎛/1.5)이다. 도 8을 참조하면, 반도체 장치의 휨량이 40㎛가 되는 것은, 가로축에 나타낸 제1 막두께 환산 중량이 790인 경우이다. 즉, 반도체 장치(1)의 휨량이, 40㎛를 초과하지 않게 하기 위해서는, 식 5를 만족시키는 것이 바람직하다.
790≤2.33×tsi+10.5×tag+8.90×tni (식 5)
이에 의하면, 휨량을 40㎛ 이하로 할 수 있다.
다음으로, 반도체 장치(1)의 장변 길이 L1과 단변 길이 L2의 비에 대해 설명한다. 반도체 장치(1)는, 소자의 크기에 따라 휨량 및 중량은 변화한다. 소자의 크기는 용도에 따라 정해지지만, 스마트폰에 사용되는 리튬 이온 전지 회로의 보호 용도이면, 세트의 두께 방향으로, 회로 기판(基盤)이 수납될 필요가 있다. 또, 반도체 장치(1)의 가로세로비(Si층의 장변 길이 L1/단변 길이 L2)가 클수록 휨량은 커진다. 본 발명자들은, 반도체 장치(1)의 휨과 실장 불량의 관계를 검토하기 위하여, 반도체 장치(1)의 크기로서, 상기 회로 기판에 수납할 수 있고, 또한, 당해 가로세로비가 큰 것을 상정했다. 구체적으로는, 반도체 장치(1)의 크기로서, 3.40㎜(장변 길이 L1: 가로)×1.96㎜(단변 길이 L2: 세로)를 상정했다. 반도체 장치(1)의 상기 가로세로비(1.73)를 최대로 하면, 당해 가로세로비는 1.73 이하가 된다.
다음으로, 반도체 장치(1)의 주변 길이에 대해 설명한다. 접합재인 땜납 돌출에 있어서, 땜납이 융해되는 것보다도 먼저, 내부에 포함되는 플럭스가 휘발되기 시작하는 것이 관계되어 있다. 플럭스란, 윤활유와 같이 땜납의 젖음성을 양호하게 하기 위해서 미리 땜납에 포함되는 것이다. 대개의 땜납에는 플럭스가 포함되어 있다.
휘발 플럭스는, 기포로서, 먼저, 땜납의 내부에서 팽창하고, 팽창한 기포는 일부분이라도 땜납과 외부의 경계에 접촉하면, 작은 구멍이 뚫린 풍선으로부터 가스가 빠지도록, 땜납 외부로 방출되어 소실된다. 이에 대해, 휘발 플럭스의 기포가 땜납 외부와의 경계에 접촉할 기회가 없으면, 팽창하는 기포는 땜납 내부에 머무를 뿐만 아니라, 주위의 땜납을 밀어내게 된다. 이로써, 땜납 돌출을 가속 혹은 유발하게 된다. 이 때문에, 휘발 플럭스의 기포가 땜납과 외부의 경계에 접촉하기 쉽고, 땜납 외부로 방출되기 쉽게 하는 것이 바람직하다.
이와 같은 지견으로부터, 대략 장방형 형상을 한 소스 전극(11) 및 소스 전극(21)에서는, 각 단변 길이를 짧게 하는 것이 효과적이다. 휘발 플럭스의 기포는 땜납 내부에서 구상 또한 등방적으로 팽창하기 때문에, 각 단변 길이가 짧으면 빠른 단계에서 땜납 외부에 접촉하여 방출되기 때문이다. 단, 단변 길이를 작게 하는 것은 각 전극의 면적이 작아지는 것이고, 반도체 장치(1)의 온 저항을 악화시키는 영향이 있다.
표 3에, 반도체 장치의 전극 레이아웃 구성을 바꾼 시료에 있어서의 리플로 실장 후의 땜납의 상태를 나타낸다. 또, 도 9는, 실시형태에 관련된 반도체 장치(1)의 전극 레이아웃 구성의 바리에이션을 나타내는 도면이다.
또한, 상기 서술한 표 2의 시작 실험은, 수준 1의 레이아웃 구성을 사용하여, 막두께를 변화시키고(표 2의 항목명에서는 시료 No로 되어 있지만, 시작 실험은 복수개를 사용하고 있다) 있으며, 땜납 접합 불량의 Si층, Ag층 및 Ni층의 두께 의존성의 검토를 실시한 것이다. 한편, 표 3의 시작 실험은, 소스 전극의 레이아웃 구성을 변화시키고 있으며(레이아웃 구성을, 도 9에 나타내는 수준 1∼수준 7의 구성으로 시작 실험했다. 이하, 각 레이아웃 구성을, 수준 1∼수준 7이라 칭한다.), 땜납 접합 불량의 전극 레이아웃 의존성의 검토를 실시한 것이다.
표 3 및 도 9에 나타내는 바와 같이, 수준 1∼3에서는, 소스 전극폭 및 장변에 따른 마진을 변화시키고 있다. 또, 수준 4∼7에서는, 또한 소스 전극폭을 좁히는 만큼, 소스 전극의 개수를 늘림으로써 온 저항이 일정해지는 것을 의식하여 소스 전극의 면적을 동등화하고 있다. 수준 4 및 5에서는, 또한, 소스 전극폭 및 장변에 따른 마진을 변화시키고 있다. 또, 수준 6∼7에서는, 수준 4에 대해, 소스 전극폭 및 장변에 따른 마진을 일정하게 하여, Si층의 장변에 따른 방향의 소스 전극 레이아웃을 변화시키고 있으며, 경계부의 소스 전극 간격 및 소스 전극 길이를 변화시키고 있다. 수준 6에서는, 경계부의 소스 전극 간격은 0.35㎜이고, 수준 7에서는, 경계부의 소스 전극 간격은 0.45㎜이며, 수준 1∼5에서는, 경계부의 소스 전극 간격은, 모두 0.25㎜이다.
[표 3]
Figure 112020137358531-pct00003
표 3에 나타낸 전극 레이아웃 구성의 바리에이션 중, 도 2의 (a)에 나타낸 전극 레이아웃 구성과 동형의 전극 레이아웃을 갖는 수준 1∼3에 대해 설명한다. 수준 1에 있어서 각 소스 전극의 단변 길이는 0.30㎜이고, 수준 2에 있어서 각 소스 전극의 단변 길이는 0.25㎜이고, 수준 3에 있어서 각 소스 전극의 단변 길이는 0.20㎜이다.
도 10은, 반도체 장치(1)(수준 1∼3)의 실장 후의 전극 표면에 있어서의 보이드 발생 상태를 나타내는 X선 투과 관찰 촬영도이다. 동 도면으로부터, 먼저, 반도체 장치(1)의 전극에 있어서 대소의 보이드가 국소적으로 발생하고 있는 것을 알 수 있다. 소스 전극(11) 또는 소스 전극(21)에 대해서는, 각 단변 길이가 큰 것으로부터 작은 것(수준 1→3)으로 됨에 따라, 땜납의 내부에 머물러 있는 보이드의 직경이 작아져 가는 경향이 보인다. 소스 전극(11) 또는 소스 전극(21)에 대해, 각 전극의 단변 길이가 클 때에는, 내부에서 발생한 휘발 플럭스의 기포가 땜납과 외부의 경계에 접촉할 기회가 적다. 이 경우, 보이드율이 높아질 뿐만 아니라, 규격 외의 땜납 돌출이 나타나 불량 판정이 되는 것으로 해석된다.
표 3에 있어서의 수준 1∼3의 결과에 기초하여, 소스 전극(11) 및 소스 전극(21)의 각 단변 길이의 크기는, 0.3㎜ 이하이고, 더욱 바람직하게는, 0.2㎜ 이하이다. 또한, 수준 1∼3에 있어서, 온 저항의 차이는 거의 볼 수 없었다.
다음으로, 반도체 장치(1)의 중량과, 땜납 범프의 측면에 가해지는 힘의 관계에 대해 설명한다.
도 11은, 리플로 실장시에 땜납 범프에 가해지는 힘을 설명하는 도면이다. 동 도면에는, 리플로 전 및 리플로 후에 있어서의 땜납 범프가 나타나 있다. 리플로 전의 땜납 범프의 높이(실장 기판과 반도체 장치(1)의 거리)를 t로 하고, 리플로 중에 땜납 범프가 Δt(침강량)만큼 압입된 것으로 하면, 리플로 후의 땜납 범프의 높이는 (t-Δt)가 된다. 이 때, 땜납 범프의 측면에 있어서, 땜납 범프에 가해지는 힘 F는, 땜납 범프를 상면에서 보았을을 경우의 전극 면적을 S로 하고, 전극 주변 길이를 L로 했을 경우, 식 6으로 나타낸다.
Figure 112020137358531-pct00004
(식 6)
식 6에 있어서, Δt×S는 리플로 실장으로 침강한 만큼의 땜납 체적이고, 당해 체적은, (t-Δt)의 높이가 된 땜납 범프 중에 압축되어 있게 된다. 이 때, 압축된 땜납이 신장하고자 하는 것에 대해, 견디고자 하는 땜납 범프의 표면 장력은, 땜납 범프의 측면적 (t-Δt)×L에 비례한다. 또, 식 6은, 식 7과 같이 변형된다.
Figure 112020137358531-pct00005
(식 7)
식 7은, 리플로 실장 후의 땜납 돌출을 회피하기 위해서는, 땜납 범프에 가해지는 힘 F를 작게 하도록 전극의 형상을, S/L(전극 면적 S를 전극 주변 길이 L로 나눈 값)에 의해 적정화할 수 있는 것을 시사하고 있다. 단, 전극의 면적을 과도하게 작게 하면, 온 저항 증대라는 악영향을 미친다.
또한, 침강량 Δt에 영향을 미치는 것은 반도체 장치(1)의 중량이기 때문에, 반도체 장치(1)의 중량이 작으면, 결과적으로 Δt도 작아지므로, 땜납 돌출을 진행시키는 힘인, 땜납 범프에 가해지는 힘 F도 작게 억제할 수 있다.
식 6 및 식 7에 기초하면, 땜납 돌출을 억제하기 위해서는, 온 저항이 과도하게 증대되지 않는 범위에서 S/L을 작게 하는 것이 바람직하다. 표 3에 의하면, S/L은, 수준 1에서 최대 0.127을 나타낸다. 땜납 돌출은, 수준 1, 2, 3으로 진행됨에 따라 양호해지기 때문에, 본 실시형태에 관련된 반도체 장치(1)에 있어서, S/L은 0.127 이하가 된다.
다음으로, 모든 전극 패드의 총면적과 땜납 돌출의 관계에 대해 설명한다. 모든 전극 패드의 총면적이 커져 반도체 장치(1)의 실장에 사용되는 땜납의 양이 많으면, 동일한 휨량 또한 동일한 Δt를 갖는 반도체 장치(1)이어도 땜납 돌출이 일어날 확률은 높다고 할 수 있다.
따라서, 반도체 장치(1)에 구비되는 전극의 면적을 모두 합한 총전극 면적 Sa가 작은 편이, 땜납 돌출을 방지하는 데에 적합하게 된다. 표 3에 있어서, 수준 1∼3의 레이아웃에 대해, 총전극 면적 Sa의 값을 기입하고 있다. 총전극 면적 Sa는 수준 1에서 최대 2.61㎟를 나타낸다. 땜납 돌출은, 수준 1, 2, 3으로 진행됨에 따라 양호해지기 때문에, 본 실시형태에 관련된 반도체 장치(1)에 있어서, 총전극 면적 Sa는 2.61㎟ 이하가 된다.
또, 표 3에 나타내는 수준 1∼7의 전극 레이아웃은, 반도체 장치(1)의 온 저항이 동등해지도록 설계되어 있다. 예를 들어, 총전극 면적 Sa가 지나치게 작으면 온 저항이 증대되어 버린다. 도 9에, 수준 1∼7의 전극 레이아웃 및 치수를 나타낸다. 또한, 실장 후의 땜납의 상태를 조사한 검토에 있어서는, 수준 1∼7 모두에 있어서, Si층의 두께를 20㎛로 하고, Ag층의 두께를 50㎛로 하고, Ni층의 두께를 30㎛로 하고 있다.
반도체 장치(1)가 리플로 실장시에 휘어져 버리면, Si층의 장변을 따른 방향에 있어서, 실장 기판과 반도체 장치(1)의 간격은, 경계선(90C)측은 단변(93)측 및 단변(94)측보다 넓어진다. 이 때문에, 단변(93)측 또는 단변(94)측에서 압입된 용융 땜납은, Si층의 장변을 따른 방향을 길이 방향으로 하는 소스 전극(11) 및 소스 전극(21)에 있어서, 당해 길이 방향을 따라 경계선(90C) 방향으로 유동한다. 이 때문에, 땜납 돌출 불량이나 땜납의 퍼짐 부족에 의한 보이드 불량이 잘 발생하지 않게 된다.
여기서, 수준 1∼7 중, 전형적인 전극 레이아웃을 갖는 수준 1에 대해 주목한다. 상기 서술한 보이드 불량의 억제라는 관점에서, 소스 전극(11) 및 소스 전극(21)이 Si층의 장변 방향을 따른 대략 장방형 형상을 하고 있는 것이 중요하다. 소스 전극(11) 및 소스 전극(21)의 길이 방향의 길이는, 수준 1에 있어서 최소값 0.85㎜이고, 최대값 1.375㎜이다. 검토한 수준 1은 온 저항에 대한 악영향은 거의 없는 것을 확인하고 있으므로, 소스 전극(11) 및 소스 전극(21)은, 각각 개별 전극의 장변이 Si층의 장변에 평행한 스트라이프 형상으로 형성되고, 장변 길이가 0.85㎜ 이상 또한 1.375㎜ 이하인 것이 바람직하다.
이로써, 리플로 실장시에, 땜납이 각 전극의 길이 방향으로 유동하기 쉬워져, 땜납 돌출 불량 및 땜납의 퍼짐 부족에 의한 보이드 불량을 억제할 수 있다.
또한, 게이트 전극(19) 및 게이트 전극(29)에 대해서도, 땜납 돌출을 억제하는 메커니즘에 대해서는, 소스 전극(11) 및 소스 전극(21)과 동일하다. 즉, 땜납을 외부로 압출하려고 하는 힘인, 땜납 범프에 가해지는 힘 F는, 게이트 전극의 전극 면적 S와 전극 주변 길이 L를 사용하여, S/L에 비례하기 때문에, S/L의 값이 작은 편이 바람직하다.
표 3에 의하면, 수준 1∼7에 있어서, 게이트 전극(19) 및 게이트 전극(29)은, 직경 0.25㎜의 원형상이거나, 또는 표 3에 나타내지 않지만, Si층의 단변 길이를 따른 방향의 폭이 0.25㎜이다. 표 3의 검토 결과에서는, 게이트 전극에 있어서의 땜납 돌출에 대해서는 규격 외가 되는 것은 관찰되지 않았다. 이 때문에, 게이트 전극(19) 및 게이트 전극(29)의 각각의 폭은 0.25㎜ 이하인 것이 바람직하다.
또, 게이트 전극(19) 및 게이트 전극(29)은, 제어 동작에 필요한 도통 전류가 적으므로, 소스 전극(11) 및 소스 전극(21)과 비교하여, 전극수나 총전극 면적을 적게 전극 레이아웃 설계된다. 그런데도 게이트 전극(19) 및 게이트 전극(29)은, 접합 오픈 불량이나 접합부의 보이드에 의한 도통 임피던스 변동이 발생하지 않는 것이 요구된다. 그래서, 반도체 장치(1)에 휨이 발생하는 경우에는, Si층의 장변 방향을 따른 휨이 1차원적으로 발생하는 것이 전형적인 것으로 상정하고, 게이트 전극(19) 및 게이트 전극(29)은, 각각 Si층의 단변(93) 및 단변(94)에 근접하는 위치에 설치하는 것이 바람직하다. 나아가서는, 게이트 전극(19) 및 게이트 전극(29)은, Si층의 단변(93)을 따라 및 단변(94)을 따라 있고, 소스 전극(11) 및 소스 전극(21)과 이격되어 형성되어 있는 것이 바람직하다.
이로써, 게이트 전극(19) 및 게이트 전극(29)의 접합 오픈 불량이나 접합부의 도통 임피던스 변동을 억제할 수 있다.
전술한 바와 같이, 반도체 장치(1)가, 예를 들어, 스마트폰 등의 모바일형 세트에 사용되는 리튬 이온 전지 회로의 보호 용도인 경우, 세트의 얇음 중에 회로 기판이 수납될 필요가 있다. 이러한 점에서, 본 발명자들은 반도체 장치(1)의 크기로서 3.40㎜(장변 길이 L1: 가로)×1.96㎜(단변 길이 L2: 세로)를 상정했다. 따라서, 반도체 장치(1)의 단변 길이 L2는, 2.00㎜보다 짧은 것이 바람직하다. 또, 저온 저항화를 위해서, 반도체층(40)(Si층)의 두께는 대략 20㎛인 것이 바람직하고, 또 반도체 장치(1)에 발생하는 휨의 억제를 위해서, 금속층(30)(Ni층)의 두께는 15㎛보다 두꺼운 것이 바람직하다.
이로써, 반도체 장치(1)를, 스마트폰 등의 모바일형 세트의 리튬 이온 전지 회로의 보호용으로서 적용할 수 있게 된다.
표 3에서는, 수준 1∼7마다, 전극 면적 S, 전극 주변 길이 L 및 S/L의 값을 나타내고 있다. 또, 수준 번호가 커짐에 따라 실장 후의 땜납 상태도 향상되어 가는 것을 알 수 있다. 이것은, 예를 들어, 수준 1보다 수준 2쪽이 각 전극에 대해, S/L의 값이 약 0.12로부터 약 0.10으로 작아져, 땜납을 외부로 압출하려고 하는 힘(땜납 범프에 가해지는 힘 F)이 감소하기 때문으로 생각된다. 이것으로부터, Si층의 두께가 대략 20㎛이고, Ag층의 두께가 대략 50㎛이고, Ni층의 두께가 대략 30㎛인 경우에, 소스 전극(11) 및 소스 전극(21)에 있어서, 각 전극의 면적과 주변 길이의 비는 0.10보다 작은 것이 바람직하다.
이로써, 땜납이 돌출하려고 하는 힘(땜납 범프에 가해지는 힘 F)을 저감시킬 수 있다.
또한, Si층의 두께는 대략 20㎛라는 것은, Si층의 두께가 실질적으로 20㎛와 동일한 것을 의미하고, 보다 구체적으로는, Si층의 두께는, 20㎛±8％의 범위인 것을 의미한다. 또, Ag층의 두께는 대략 50㎛라는 것은, Ag층의 두께가 실질적으로 50㎛와 동일한 것을 의미하고, 보다 구체적으로는, Ag층의 두께는, 50㎛±14％의 범위인 것을 의미한다. 또, Ni층의 두께는 대략 30㎛라는 것은, Ni층의 두께가 실질적으로 30㎛와 동일한 것을 의미하고, 보다 구체적으로는, Ni층의 두께는, 30㎛±10％의 범위인 것을 의미한다.
또, 소스 전극(11) 및 소스 전극(21)의 각 전극의 면적과 주변 길이의 비가 0.10보다 작은 것을, 별도로 표기하면 이하와 같이 된다. 즉, 소스 전극(11) 및 소스 전극(21)을 구성하는 각 전극의 장변 길이를 Xs로 하고, 단변 길이를 Ys로 하면, 이하의 식 8이 성립한다.
Figure 112020137358531-pct00006
(식 8)
식 8을 전개하면 식 9가 성립한다.
Figure 112020137358531-pct00007
(식 9)
이에 의하면, 식 9의 관계식이 성립하도록 각 전극을 설계함으로써, 땜납이 돌출하려고 하는 힘(땜납 범프에 가해지는 힘 F)을 억제할 수 있다.
또한, 표 3에 의하면, 실장 후의 땜납의 상태에 대해 비교한 결과, 수준 5∼7에 있어서, 매우 양호한 경향이 얻어지고, 규격 외가 되는 땜납 돌출 불량은 볼 수 없었다. 또, 표 3에는 나타내지 않지만, 규격 외가 되는 보이드 불량의 발생도 볼 수 없었다. 수준 5∼7에 있어서는, 휨에 영향을 미치는 구조적인 파라미터, 각 전극의 면적 S와 전극 주변 길이 L의 비, 및 총전극 면적 Sa 등이, 땜납 돌출을 억제하는 방향으로 작용하기 때문으로 생각된다.
특히 총전극 면적 Sa에 대해, 반도체 장치(1)에 사용하는 땜납의 양을 저감시킬 수 있기 때문에, 땜납 돌출에 이르는 확률을 저감시킬 수 있다. 수준 5∼7에서는, 총전극 면적 Sa는 2.11㎟보다 작다. 이것으로부터, 총전극 면적 Sa는 2.11㎟보다 작은 것이 바람직하다.
이에 의하면, 총땜납량을 삭감할 수 있어, 땜납 돌출 불량을 억제할 수 있다.
또, 표 3에 의하면, 수준 5∼7에 있어서의 실장 후의 땜납의 상태가 양호한 것은, 각 소스 전극의 단변 길이가 0.2㎜ 이하이기 때문으로 생각된다. 이것으로부터, 각 소스 전극의 단변 길이는 0.2㎜ 이하인 것이 바람직하다. 0.2㎜ 이하의 단변 길이를 갖는 소스 전극에 의하면, 휘발 플럭스의 기포가 빠른 단계에서 땜납과 외부의 경계에 접촉할 수 있어, 휘발 플럭스의 기포가 소실될 수 있으므로, 땜납을 압출하여 돌출을 유발하는 것을 억제할 수 있다.
다음으로, 게이트 전극의 형상과 땜납 실장 불량의 관계에 대해 설명한다.
수준 1∼7에 있어서, 게이트 전극의 형상은 모두 직경 0.25㎜의 원형으로 통일되어 있다. 모두 규격 외로 판정되는 게이트 전극에 있어서의 땜납 돌출은 발생하고 있지 않지만, 땜납 돌출의 발생률에는 약간 차이가 나타나고 있다. 수준 1∼7에 있어서, 게이트 전극의 형상이 동일하므로 면적과 주변 길이에 차이는 없다. 그래서, 반도체 장치(1)의 각 층두께로부터 환산해서 구해지는 제2 막두께 환산 중량(㎎)을 M'로 하고, 총전극 면적을 Sa로 하고, 단위 면적당 M'/Sa(제2 막두께 환산 중량 M'를 총전극 면적 Sa로 나눈 값)를 비교하여, 게이트 전극에 가해지는 부하를 비교했다. 보다 구체적으로는, 표 3에 나타낸 데이터 중, M'/Sa와 게이트 전극의 규격 내 땜납 돌출 발생률의 상관성을 일차식으로 근사하고, 당해 일차식으로부터 게이트 전극의 규격 내 땜납 돌출 발생률이 역치인 10％가 되는 M'/Sa를 산출했다. 그 결과, M'/Sa>3.12가 되는 조건으로, 게이트 전극의 규격 내 땜납 돌출 발생률이 10％ 이상이 되는 경향이 있고, 당해 발생률이 증가하는 경향이 있는 것을 알 수 있었다. 또한, 제2 막두께 환산 중량 M'는 식 2로 표시되기 때문에, 이하의 식 10이 성립한다.
0.0067×(2.33×tsi+10.5×tag+8.90×tni)/Sa<3.12
0.0067×(2.33×tsi+10.5×tag+8.90×tni)/3.12<Sa (식 10)
이에 의하면, 식 10의 관계식이 성립하도록 게이트 전극을 설계함으로써, 땜납 돌출을 억제할 수 있다.
지금까지, 땜납 돌출이나 보이드에 관한 불량에 주목했지만, 돌출한 땜납이 전극부보다 밖으로 튀어나와 볼 형상으로 부유하는 경우(땜납 볼)나, 땜납 볼이 반도체 장치(1)의 측면에 반구상으로 재부착되어 고화되는 경우(측면 부착)의 불량 모드가 있다. 땜납 볼이나 측면 부착한 경우에는, 높은 확률로 쇼트 불량에 이른다. 이 때문에 1지점이라도 발생이 확인되면 불량으로 판정했다.
표 3에 의하면, 수준 3∼7에 있어서 땜납 볼이나 땜납의 측면 부착의 발생이 없어져 있다(단, 수준 4에서는 Si층의 두께 20㎛, Ag층의 두께 50㎛, Ni층의 두께 30㎛의 경우에만 불량이 발생하고 있지 않다). 이것은, 소스 전극(11) 및 소스 전극(21)이, Si층의 장변 길이 L1로부터 충분히 거리를 두고 배치되어 있기 때문에, 땜납의 튀어나옴이 있어도 반도체 장치(1)에 머물지 않기 때문으로 생각된다(전극부로부터 튀어나와 발생한 땜납 볼은, 반도체 장치(1) 상의 긴 거리를 달리기 때문에, 관성에 의해 반도체 장치(1)의 단부에서 포획 흡착될 확률이 낮은 것으로 생각된다.)
수준 3∼7에서는, 소스 전극(11) 및 소스 전극(21)과, Si층의 장변 길이 L1 사이의 거리(장변에 따른 마진)가 0.15㎛보다 크다. 이 때문에, Si층의 장변 길이 L1과 소스 전극(11) 및 소스 전극(21)의 거리는, 0.15㎛ 이상 이격되어 있는 것이 바람직하다.
이로써, 땜납 볼이나 측면 부착에 의한 쇼트 불량의 발생을 억제할 수 있다.
도 12a는, 실시형태에 관련된 반도체 장치의 소스 전극의 레이아웃 구성을 나타내는 도면이다. 동 도면에 나타내는 바와 같이, 소스 전극(11) 및 소스 전극(21)은, 각각 복수의 전극으로 구성되어 있다.
여기서, 소스 전극(11)을 구성하는 복수의 전극 중, Si층의 장변을 따른 방향에 있어서의, 경계선(90C)측에 형성된 전극의 면적은, Si층의 단변(93)측에 형성된 전극의 면적보다 커도 된다. 도 12a에서는, 예를 들어, 경계선(90C)측에 형성된 전극(11a1)의 면적은, Si층의 단변(93)측에 형성된 전극(11a2)의 면적보다 크다. 또, 소스 전극(21)을 구성하는 복수의 전극 중, Si층의 장변을 따른 방향에 있어서의, 경계선(90C)측에 형성된 전극의 면적은, Si층의 단변(94)측에 형성된 전극의 면적보다 커도 된다.
상기 서술한 바와 같이, Si층의 장변을 따른 방향으로 휨이 발생하여, 경계선(90C) 부근보다 단변(93 및 94) 부근쪽이 땜납의 침강량 Δt가 커진다. 이에 대해, 본 실시형태에 관련된 반도체 장치에 의하면, Si층의 단변(93 및 94)측에 형성된 전극의 면적은 경계선(90C)측에 형성된 전극의 면적보다 작기 때문에, 단변(93 및 94)측에 형성된 전극의 S/L이 작아진다. 따라서, 땜납이 돌출하려고 하는 힘(땜납 범프에 가해지는 힘 F)을 저감시킬 수 있다.
또한, 단변측에 형성된 전극의 면적이 경계선측에 형성된 전극의 면적보다 작다는 구성은, 소스 전극(11) 및 소스 전극(21)의 적어도 한쪽에 실시되어 있으면 된다.
또한, 소스 전극(11)을 구성하는 복수의 전극은, Si층의 장변을 따른 방향에 있어서, 경계선(90C)측으로부터 단변(93)측을 향함에 따라 작아도 된다. 또, 소스 전극(21)을 구성하는 복수의 전극은, Si층의 장변을 따른 방향에 있어서, 경계선(90C)측으로부터 단변(94)측을 향함에 따라 작아도 된다. 또한, 본 구성에 대해서도, 소스 전극(11) 및 소스 전극(21)의 적어도 한쪽에 실시되어 있으면 된다.
이로써, 땜납이 돌출하려고 하는 힘(땜납 범프에 가해지는 힘 F)을 효과적으로 저감시킬 수 있다.
도 12b는, 실시형태에 관련된 반도체 장치의 소스 전극의 레이아웃 구성을 나타내는 도면이다. 동 도면에 나타내는 바와 같이, 소스 전극(11) 및 소스 전극(21)은, 각각 복수의 전극으로 구성되어 있다.
여기서, 소스 전극(11)을 구성하는 복수의 전극 중, Si층의 장변을 따른 방향에 있어서의, 경계선(90C)측에 배치된 전극과 그 이웃하는 전극의 간격은, Si층의 단변(93)측에 배치된 전극과 그 이웃하는 전극의 간격보다 좁아도 된다. 또, 소스 전극(21)을 구성하는 복수의 전극 중, Si층의 장변을 따른 방향에 있어서의, 경계선(90C)측에 배치된 전극과 그 이웃하는 전극의 간격은, Si층의 단변(94)측에 배치된 전극과 그 이웃하는 전극의 간격보다 좁아도 된다. 또한, 본 구성에 대해서도, 소스 전극(11) 및 소스 전극(21)의 적어도 한쪽에 실시되어 있으면 된다.
상기 서술한 바와 같이, Si층의 장변을 따른 방향으로 휨이 발생하여, 경계선(90C) 부근보다 단변(93 및 94) 부근쪽이 땜납의 침강량 Δt가 커진다. 이에 대해, 본 실시형태에 관련된 반도체 장치에 의하면, Si층의 단변(93 및 94)측에 형성된 이웃하는 전극의 간격은, 경계선(90C)측에 형성된 이웃하는 전극의 간격보다 넓기 때문에, 단변(93 및 94)측에 형성된 전극의 돌출 허용량(예를 들어, 인접 전극 간격의 반의 거리)을 크게 할 수 있다. 따라서, 땜납 돌출 불량을 저감시킬 수 있다.
또한, 소스 전극(11)의 이웃하는 전극의 간격은, Si층의 장변을 따른 방향에 있어서, 경계선(90C)측으로부터 단변(93)측을 향함에 따라 커도 된다. 또, 소스 전극(21)의 이웃하는 전극의 간격은, Si층의 장변을 따른 방향에 있어서, 경계선(90C)측으로부터 단변(94)측을 향함에 따라 커도 된다. 또한, 본 구성에 대해서도, 소스 전극(11) 및 소스 전극(21)의 적어도 한쪽에 실시되어 있으면 된다.
이로써, 땜납 돌출 불량을 효과적으로 저감시킬 수 있다.
도 12c는, 실시형태에 관련된 반도체 장치의 소스 전극의 레이아웃 구성을 나타내는 도면이다. 동 도면에 나타내는 바와 같이, 소스 전극(11) 및 소스 전극(21)은, 각각 복수의 전극으로 구성되어 있다.
여기서, 소스 전극(11)을 구성하는 복수의 전극의 면적은, 게이트 전극(19)을 구성하는 전극의 면적보다 작고, 당해 복수의 전극의 각각과 그 이웃하는 전극의 간격은 게이트 전극(19)을 구성하는 각 전극의 폭보다 좁아도 된다. 또, 소스 전극(21)을 구성하는 복수의 전극의 면적은, 게이트 전극(29)을 구성하는 전극의 면적보다 작고, 당해 복수의 전극의 각각과 그 이웃하는 전극의 간격은 게이트 전극(29)을 구성하는 각 전극의 폭보다 좁아도 된다. 또한, 본 구성에 대해서도, 소스 전극(11) 및 소스 전극(21)의 적어도 한쪽에 실시되어 있으면 된다.
이에 의하면, 소스 전극의 S/L을 작게 할 수 있다. 따라서, 소스 전극의 땜납 돌출력(땜납 범프에 가해지는 힘 F)을 저감시킬 수 있다. 또, 이웃하는 소스 전극의 간격은, 게이트 전극폭보다 좁지만, 소스 전극(11)을 구성하는 소스 전극간의 접촉은 해도 되고, 또, 소스 전극(21)을 구성하는 소스 전극간의 접촉은 해도 된다. 소스 전극(11)을 구성하는 모든 전극의 총면적 상당의 1모따기 전극과 비교했을 경우, 상기 구성쪽이 휘발 플럭스의 기포 소실이 용이하고, 소스 전극(11) 중에서의 각 전극의 단락은 동일한 전위이므로 문제가 되지 않기 때문이다.
(그 밖의 실시형태)
이상, 본 개시의 하나 또는 복수의 양태에 관련된 반도체 장치에 대해, 실시형태에 기초하여 설명했지만, 본 개시는, 이 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 본 개시의 취지를 일탈하지 않는 한, 당업자가 생각해 낸 각종 변형을 본 실시형태에 실시한 것이나, 상이한 실시형태에 있어서의 구성 요소를 조합하여 구축되는 형태도, 본 개시의 하나 또는 복수의 양태의 범위 내에 포함되어도 된다.
상기 실시형태에서는, 반도체 장치(1)와 실장 기판을 접합하기 위한 접합재로서 땜납 범프를 예시했지만, 당해 접합재의 형태는 범프에 한정되지 않고, 또, 당해 접합재의 재료는 땜납에 한정되지 않는다.
[산업상 이용가능성]
본원 발명에 관련된 반도체 장치는, CSP형의 반도체 장치로서, 쌍방향 트랜지스터, 단방향 트랜지스터, 다이오드 등의 각종 반도체 장치에 널리 이용할 수 있다.
1 반도체 장치
2 제어 IC
3 전지
4 부하
10 트랜지스터(제1 종형 MOS 트랜지스터)
11, 11a, 11b, 11c, 11d, 21, 21a, 21b, 21c, 21d 소스 전극
12, 13, 22, 23 부분
14, 24 소스 영역
15, 25 게이트 도체
16, 26 게이트 절연막
18, 28 보디 영역
19, 29 게이트 전극
20 트랜지스터(제2 종형 MOS 트랜지스터)
30, 31 금속층
30a, 30b, 31a, 31b, 40a, 40b 주면
32 반도체 기판
33 저농도 불순물층
34 층간 절연층
35 패시베이션층
40 반도체층
90C 경계선
91, 92 장변
93, 94 단변

Claims (16)

  1. 페이스 다운 실장이 가능한 칩 사이즈 패키지형의 반도체 장치로서,
    서로 배향(背向)하는 제1 주면 및 제2 주면을 갖는 반도체층과,
    서로 배향하는 제3 주면 및 제4 주면을 갖고, 상기 제3 주면이 상기 제2 주면에 접촉하여 형성되고, 은으로 이루어지고, 두께가 30㎛ 이상 또한 60㎛보다 얇은 제1 금속층과,
    서로 배향하는 제5 주면 및 제6 주면을 갖고, 상기 제5 주면이 상기 제4 주면에 접촉하여 형성되고, 니켈로 이루어지고, 두께가 10㎛ 이상 또한 35㎛보다 얇은 제2 금속층과,
    상기 반도체층 내의 제1 영역에 형성된 제1 종형 MOS 트랜지스터와,
    상기 제1 영역과 상기 제1 주면을 따른 방향에서 인접하는, 상기 반도체층 내의 제2 영역에 형성된 제2 종형 MOS 트랜지스터를 갖고,
    상기 반도체층은,
    상기 제1 주면 및 상기 제2 주면 중 상기 제2 주면측에 배치되고, 제1 도전형 불순물을 포함하는 실리콘으로 이루어지는 반도체 기판과,
    상기 제1 주면 및 상기 제2 주면 중 상기 제1 주면측에 배치되고, 상기 반도체 기판에 접촉하여 형성되며, 상기 반도체 기판의 상기 제1 도전형 불순물의 농도보다 낮은 농도의 상기 제1 도전형 불순물을 포함하는 저농도 불순물층을 갖고,
    상기 제1 종형 MOS 트랜지스터는 상기 저농도 불순물층의 표면에 제1 소스 전극 및 제1 게이트 전극을 갖고,
    상기 제2 종형 MOS 트랜지스터는 상기 저농도 불순물층의 표면에 제2 소스 전극 및 제2 게이트 전극을 갖고,
    상기 제1 소스 전극 및 상기 제1 게이트 전극과, 상기 제2 소스 전극 및 상기 제2 게이트 전극은, 상기 반도체층을 평면에서 보았을 경우에, 상기 반도체층의 장변을 이분하는 경계선에 대해 선대칭의 위치에 형성되고,
    상기 반도체층의 두께는 10㎛ 이상 또한 30㎛ 이하이고,
    상기 반도체 기판은, 상기 제1 종형 MOS 트랜지스터의 제1 드레인 영역 및 상기 제2 종형 MOS 트랜지스터의 제2 드레인 영역의 공통 드레인 영역으로서 기능하고,
    상기 제1 소스 전극으로부터 상기 제1 드레인 영역, 상기 제1 금속층 및 상기 제2 드레인 영역을 경유한 상기 제2 소스 전극까지의 쌍방향 경로를 주전류 경로로 하고,
    상기 반도체층의 장변 길이와 단변 길이의 비는 1.73 이하이고,
    상기 제1 소스 전극 및 상기 제2 소스 전극에 있어서의 각 전극의 면적과 주변 길이의 비는 0.127 이하이고,
    상기 제1 소스 전극, 상기 제1 게이트 전극, 상기 제2 소스 전극, 및 상기 제2 게이트 전극의 각 면적의 총합은 2.61㎟ 이하이고,
    상기 제1 소스 전극 및 상기 제2 소스 전극의 각 단변 길이는 0.3㎜ 이하이고,
    상기 반도체층의 두께를 tsi(㎛), 상기 제1 금속층의 두께를 tag(㎛), 상기 제2 금속층의 두께를 tni(㎛)로 했을 때,
    702<2.33×tsi+10.5×tag+8.90×tni<943
    의 관계식이 성립하는, 반도체 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    790≤2.33×tsi+10.5×tag+8.90×tni
    의 관계식이 성립하는, 반도체 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 소스 전극 및 상기 제2 소스 전극은, 각각 복수의 전극으로 이루어지고,
    상기 평면에서 보았을 때, 상기 제1 소스 전극 및 상기 제2 소스 전극을 구성하는 상기 복수의 전극의 길이 방향은, 상기 반도체층의 장변과 평행이고, 상기 제1 소스 전극을 구성하는 상기 복수의 전극은 스트라이프 형상으로 배치되며, 상기 제2 소스 전극을 구성하는 상기 복수의 전극은 스트라이프 형상으로 배치되고,
    상기 제1 소스 전극 및 상기 제2 소스 전극을 구성하는 상기 복수의 전극의 각각의 장변 길이는, 0.85㎜ 이상 또한 1.375㎜ 이하인, 반도체 장치.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 게이트 전극 및 상기 제2 게이트 전극의 각각의 최대폭은 0.25㎜ 이하이고,
    상기 평면에서 보았을 때, 상기 제1 게이트 전극은, 상기 제1 소스 전극보다 상기 반도체층의 단변측에, 상기 제1 소스 전극과 이격되어 형성되어 있고, 상기 제2 게이트 전극은, 상기 제2 소스 전극보다 상기 반도체층의 단변측에, 상기 제2 소스 전극과 이격되어 형성되어 있는, 반도체 장치.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 반도체층의 단변 길이는 2.00㎜보다 짧고,
    상기 반도체층의 두께는 대략 20㎛이고,
    상기 제2 금속층의 두께는 15㎛보다 두꺼운, 반도체 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 반도체층의 두께는 대략 20㎛이고,
    상기 제1 금속층의 두께는 대략 50㎛ 이상이고,
    상기 제2 금속층의 두께는 대략 30㎛이고,
    상기 제1 소스 전극 및 상기 제2 소스 전극을 구성하는 각 전극의 면적과 주변 길이의 비는 0.10보다 작은, 반도체 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 소스 전극 및 상기 제2 소스 전극을 구성하는 각 전극의 장변 길이를 Xs, 단변 길이를 Ys로 했을 때,
    Figure 112020137358531-pct00008

    의 관계식이 성립하는, 반도체 장치.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 소스 전극, 상기 제1 게이트 전극, 상기 제2 소스 전극, 및 상기 제2 게이트 전극을 구성하는 각 전극의 각 면적의 총합은 2.11㎟보다 작은, 반도체 장치.
  9. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 소스 전극 및 상기 제2 소스 전극을 구성하는 각 전극의 단변 길이는 0.2㎜ 이하인, 반도체 장치.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 소스 전극, 상기 제1 게이트 전극, 상기 제2 소스 전극, 및 상기 제2 게이트 전극을 구성하는 각 전극의 각 면적의 총합을 Sa로 했을 때,
    0.0067×(2.33×tsi+10.5×tag+8.90×tni)/3.12<Sa
    의 관계식이 성립하는, 반도체 장치.
  11. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 소스 전극 및 상기 제2 소스 전극을 구성하는 각 전극은, 상기 반도체층의 각 변에 대해 0.153㎜ 이상 이격되어 있는, 반도체 장치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 소스 전극 및 상기 제2 소스 전극은, 각각 복수의 전극으로 이루어지고,
    상기 제1 소스 전극을 구성하는 복수의 전극 및 상기 제2 소스 전극을 구성하는 복수의 전극의 적어도 한쪽 중, 상기 경계선측에 형성된 전극의 면적은, 상기 반도체층의 단변측에 형성된 전극의 면적보다 큰, 반도체 장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제1 소스 전극을 구성하는 복수의 전극 및 상기 제2 소스 전극을 구성하는 복수의 전극의 적어도 한쪽의 각각의 전극은, 상기 경계선측으로부터 상기 단변측을 향함에 따라 작은, 반도체 장치.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 소스 전극 및 상기 제2 소스 전극은, 각각 복수의 전극으로 이루어지고,
    상기 제1 소스 전극을 구성하는 복수의 전극 및 상기 제2 소스 전극을 구성하는 복수의 전극의 적어도 한쪽 중, 상기 경계선측에 배치된 전극과 그 이웃하는 전극의 간격은, 상기 반도체층의 단변측에 배치된 전극과 그 이웃하는 전극의 간격보다 좁은, 반도체 장치.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 제1 소스 전극을 구성하는 복수의 전극 및 상기 제2 소스 전극을 구성하는 복수의 전극의 적어도 한쪽에 있어서의 이웃하는 전극의 간격은, 상기 경계선측으로부터 상기 단변측을 향함에 따라 넓은, 반도체 장치.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 소스 전극 및 상기 제2 소스 전극은, 각각 복수의 전극으로 이루어지고,
    상기 제1 소스 전극을 구성하는 복수의 전극 및 상기 제2 소스 전극을 구성하는 복수의 전극의 적어도 한쪽의 각각의 면적은, 상기 제1 게이트 전극 및 상기 제2 게이트 전극을 구성하는 각 전극의 면적보다 작고,
    상기 적어도 한쪽의 상기 복수의 전극의 각각과 그 이웃하는 전극의 간격은, 상기 제1 게이트 전극 및 상기 제2 게이트 전극을 구성하는 각 전극의 폭보다 좁은, 반도체 장치.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022210367A1 (ja) * 2021-03-29 2022-10-06 ヌヴォトンテクノロジージャパン株式会社 半導体装置、電池保護回路、および、パワーマネージメント回路
JP7114824B1 (ja) * 2021-09-17 2022-08-08 ヌヴォトンテクノロジージャパン株式会社 半導体装置

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170358510A1 (en) 2016-06-09 2017-12-14 Magnachip Semiconductor, Ltd. Wafer-level chip-scale package including power semiconductor and manufacturing method thereof
WO2018025839A1 (ja) 2016-08-02 2018-02-08 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 半導体装置、半導体モジュール、および半導体パッケージ装置

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5674766A (en) 1994-12-30 1997-10-07 Siliconix Incorporated Method of making a trench MOSFET with multi-resistivity drain to provide low on-resistance by varying dopant concentration in epitaxial layer
KR100374204B1 (ko) * 2000-05-03 2003-03-04 한국과학기술원 2차원 노즐배치를 갖는 잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법
JP5649322B2 (ja) * 2010-04-12 2015-01-07 三菱電機株式会社 半導体装置および半導体装置の製造方法
JP2012182238A (ja) 2011-02-28 2012-09-20 Panasonic Corp 半導体装置
CN103890953B (zh) * 2012-03-23 2016-10-19 松下知识产权经营株式会社 半导体元件
JP5990401B2 (ja) 2012-05-29 2016-09-14 ルネサスエレクトロニクス株式会社 半導体装置および半導体装置の製造方法
WO2015178024A1 (ja) * 2014-05-23 2015-11-26 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 炭化珪素半導体装置
JP2015231033A (ja) * 2014-06-06 2015-12-21 ルネサスエレクトロニクス株式会社 半導体装置及び半導体装置の製造方法
JP2016086006A (ja) 2014-10-23 2016-05-19 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 半導体装置及びその製造方法
CN107710400A (zh) 2015-07-01 2018-02-16 松下知识产权经营株式会社 半导体装置
JP2018049974A (ja) 2016-09-23 2018-03-29 ルネサスエレクトロニクス株式会社 半導体装置およびその製造方法
JP7042217B2 (ja) * 2016-12-27 2022-03-25 ヌヴォトンテクノロジージャパン株式会社 半導体装置
JP6447946B1 (ja) * 2018-01-19 2019-01-09 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 半導体装置および半導体モジュール

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170358510A1 (en) 2016-06-09 2017-12-14 Magnachip Semiconductor, Ltd. Wafer-level chip-scale package including power semiconductor and manufacturing method thereof
WO2018025839A1 (ja) 2016-08-02 2018-02-08 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 半導体装置、半導体モジュール、および半導体パッケージ装置

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