WO2018047913A1

WO2018047913A1 - 半導体装置

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Publication number: WO2018047913A1
Application number: PCT/JP2017/032333
Authority: WO
Inventors: 朝仁岩重; 杉浦　和彦; 三輪　和弘; 裕一佐久間; 成吾黒坂; 幸典小田
Original assignee: 株式会社デンソー; 上村工業株式会社
Priority date: 2016-09-12
Filing date: 2017-09-07
Publication date: 2018-03-15

Abstract

半導体装置（１）は、半導体素子（２）と、鉄族元素である第一成分とクロム以外の周期表第５族又は第６族遷移金属元素である第二成分とを含有するメタライズ層（３４）を最表面（３５）に有する金属部材であって前記最表面が前記半導体素子と対向するように配置された支持体（３）と、前記支持体の前記最表面と前記半導体素子との間に配置されていて前記最表面に接合されることで前記半導体素子を前記支持体に固定するように設けられた接合材（４）と、前記支持体と前記接合材と前記半導体素子との接合体（Ｓ）を覆うように設けられたモールド樹脂（６）と、を備えている。

Description

半導体装置

関連出願への相互参照

　本出願は、２０１６年９月１２日に出願された日本特許出願番号２０１６－１７７８７３号、及び２０１７年９月７日に出願された日本特許出願番号２０１７－１７２０３０号に基づくもので、ここにそれらの記載内容が参照により組み入れられる。

　本開示は、半導体素子を備えた半導体装置に関する。

　半導体素子とこれを支持する支持体（例えば、支持基板、放熱板、ヒートシンク等）とを樹脂モールドすることによって形成された半導体装置が知られている。特開２００３－１２４４０６号公報は、この種の半導体装置において、半導体素子及びヒートシンクの表面にポリアミド樹脂層を配置する構成を提案する。かかる構成によれば、半導体素子及びヒートシンクとモールド樹脂との間の接着力が向上する。したがって、かかる構成によれば、高温下においても半導体素子及びヒートシンクとモールド樹脂とが剥離することを抑制可能となる。

　この種の半導体装置において、支持体に対して半導体素子を固定するダイアタッチ部における耐熱信頼性と、樹脂モールド部における耐熱信頼性とを両立させるという要求がある。

　本開示の１つの観点によれば、半導体装置は、半導体素子と、鉄族元素である第一成分とクロム以外の周期表第５族又は第６族遷移金属元素である第二成分とを含有するメタライズ層を最表面に有し前記最表面が前記半導体素子と対向するように配置された支持体と、前記支持体の前記最表面と前記半導体素子との間に配置されていて前記最表面に接合されることで前記半導体素子を前記支持体に固定するように設けられた接合材と、前記支持体と前記接合材と前記半導体素子との接合体を覆うように設けられたモールド樹脂と、を備えている。

　上記構成において、前記支持体の前記最表面を構成する前記メタライズ層は、前記接合材（例えば銀を含有する焼結体層）と接合されるとともに、前記モールド樹脂に覆われる。本願の発明者らは、鋭意検討の結果、前記メタライズ層に、鉄族元素である前記第一成分と、クロム以外の周期表第５族又は第６族遷移金属元素である前記第二成分とを含有させることで、前記接合材を介した前記半導体素子と前記支持体との接合部であるダイアタッチ部における耐熱信頼性と、前記モールド樹脂によって前記支持体を被覆する部分である樹脂モールド部における耐熱信頼性とが、良好に確保され得ることを見出した。

　なお、請求の範囲に記載した各手段の括弧内の符号は、同手段と後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す側断面図である。実施例及び比較例の樹脂モールド部における接着強度評価用のテストピースの構成を示す側断面図である。実施例及び比較例のダイアタッチ部における接合強度評価用のテストピースの構成を示す側断面図である。実施例及び比較例の評価結果を示すグラフである。実施例及び比較例の評価結果を示す表である。変形例に係る半導体装置の概略構成を示す側断面図である。

　以下、実施形態を、図面に基づいて説明する。なお、以下の説明において、実施形態と後述する変形例との間で互いに同一又は均等である部分については、同一符号が付され、技術的に矛盾なき限り、先行する実施形態における説明が後行する変形例にて適宜援用され得るものとする。

　（構成）
　図１を参照すると、半導体装置１は、半導体素子２と、支持体３と、接合材４と、プライマ層５と、モールド樹脂６とを備えている。

　半導体素子２は、高温動作に適したＳｉＣデバイスであって、薄板状に形成されている。以下、説明の簡略化のため、図１における上方を単に「上方」と称し、図１における下方を単に「下方」と称する。即ち、図１における上下方向は、薄板状の半導体素子２における厚さ方向と平行である。半導体素子２における一方の主面である上面２１と他方の主面である下面２２とは、互いに平行に設けられている。

　支持体３は、放熱板として機能する板状の金属部材であって、半導体素子２における下面２２と対向するように配置されている。支持体３の本体部３１は、銅製の板材によって形成されている。本体部３１における一方の主面である外表面３２（即ち図中下側の表面）は、図示しないヒートシンクと接合され得るように、モールド樹脂６の外部に露出するように設けられている。

　本体部３１における他方の主面である内表面３３は、メタライズ層３４によって覆われている。本実施形態においては、メタライズ層３４は、支持体３の最表面３５を構成するメッキ層であって、最表面３５が半導体素子２と対向するように設けられている。

　本実施形態におけるメタライズ層３４は、鉄族元素（即ち鉄、コバルト又はニッケル）である第一成分と、クロム以外の周期表第５族又は第６族遷移金属元素（即ちモリブデン、タングステン、バナジウム、ニオブ又はタンタル）である第二成分とを含有する金属薄膜によって形成されている。具体的には、本実施形態においては、メタライズ層３４は、支持体３の内表面３３に密着した下地層であるニッケルメッキ層と、このニッケルメッキ層の上に形成された合金メッキ層とを有している。支持体３の最表面３５を構成する上述の合金メッキ層は、上述の第一成分と第二成分とを含有している。

　接合材４は、支持体３の最表面３５と半導体素子２との間に配置されていて、最表面３５に接合されることで半導体素子２を支持体３に固定するように設けられている。本実施形態においては、接合材４は、銀を含有する焼結体層であって、銀ペーストを熱処理することによって形成されている。

　プライマ層５は、支持体３とモールド樹脂６との接着性を高めるために設けられた合成樹脂層であって、支持体３の最表面３５とモールド樹脂６との間に配置されている。即ち、プライマ層５は、支持体３の最表面３５における、接合材４との接合箇所以外の部分に接着されている。本実施形態においては、プライマ層５は、イミド基を含有する芳香族系重合体（例えば、ポリイミド、ポリアミドイミド、等）によって形成されている。モールド樹脂６は、エポキシ系樹脂及び／又はマレイミド系樹脂を含有する封止樹脂であって、支持体３と接合材４と半導体素子２との接合体Ｓを半導体素子２側から覆うように設けられている。

　（効果）
　上記構成において、支持体３の最表面３５を構成するメタライズ層３４は、接合材４と直接的に接合されるとともに、プライマ層５を介してモールド樹脂６に覆われる。以下の説明において、接合材４を介した半導体素子２と支持体３との接合部を、「ダイアタッチ部」と称する。また、モールド樹脂６によって接合体Ｓを被覆する構造における、支持体３とモールド樹脂６とが対向する部分（即ちモールド樹脂６によって支持体３を被覆する部分）を、「樹脂モールド部」と称する。

　上述のように、半導体素子２として、高温動作に適した半導体デバイス（例えばＳｉＣデバイス等）が、近年広く用いられている。かかる半導体デバイスは、例えば、ハイブリッド自動車用パワーコントロールユニット等のパワーモジュールに搭載される、パワー半導体デバイスとして、好適に利用される。かかる半導体デバイスを搭載したモジュール（即ちパワーモジュール等）においては、実装構造における高耐熱性が要求される。このため、ダイアタッチ部における耐熱信頼性と、樹脂モールド部における耐熱信頼性とを両立させる必要がある。

　ダイアタッチ部における耐熱信頼性の観点から、接合材４として、銀ペースト焼結体が好適に用いられ得る。但し、銀ペースト焼結体は、Ｎｉメタライズ層及びＡｕメタライズ層（例えば、ニッケルメッキ層、ＮｉＡｕメッキ層等）との接合性が良好ではない。このため、支持体３の最表面３５は、銀メタライズ層（例えばＮｉＡｇメッキ層等）によって形成されることが好ましい。一方、銀メタライズ層は、プライマ層５を構成する合成樹脂、及びモールド樹脂６を構成する合成樹脂との接着性（特に高温下での接着強度）が良好ではない。これに対し、Ｎｉメタライズ層及びＡｕメタライズ層は、これらの合成樹脂との接着性が良好である。

　本願の発明者らは、ダイアタッチ部における耐熱信頼性と、樹脂モールド部（即ち支持体３の最表面３５とプライマ層５との接着部）における耐熱信頼性とが、良好に確保され得る、メタライズ層３４の構造を鋭意検討した。その結果、メタライズ層３４の少なくとも最表面３５を構成する部分に、鉄族元素である第一成分と、クロム以外の周期表第５族又は第６族遷移金属元素である第二成分とを含有させた構造が有効であることを見出した。以下、実施例の評価結果を、比較例の評価結果と対比しつつ説明する。

　本願の発明者らは、図２Ａに示したテストピース７０を用いて、せん断強度をシェア試験機により測定することで、樹脂モールド部における接着強度を評価した。図２Ａに示されているように、樹脂モールド部における接着強度評価用のテストピース７０は、支持台７１と、メタライズ層７２と、プライマ層７３と、ブロック７４とによって構成されている。支持台７１は、図１に示した半導体装置１における、支持体３の本体部３１に相当するものであり、銅板によって形成されている。メタライズ層７２は、図１に示した半導体装置１におけるメタライズ層３４に相当する、実施例又は比較例のメタライズ層であって、支持台７１上に形成されている。プライマ層７３は、図１に示した半導体装置１におけるプライマ層５に相当するものであり、メタライズ層７２上に形成されている。即ち、プライマ層７３は、ポリイミド膜であって、メタライズ層７２と直接的に接合されている。ブロック７４は、図１に示した半導体装置１における樹脂モールド６に相当するものであり、プライマ層７３上に固定されている。

　また、本願の発明者らは、図２Ｂに示したテストピース８０を用いて、上記と同様の方法で、ダイアタッチ部における接合強度を評価した。図２Ｂに示されているように、ダイアタッチ部における接合強度評価用のテストピース８０は、支持台８１と、基材側メタライズ層８２と、接合材層８３と、ブロック８４と、ブロック側メタライズ層８５によって構成されている。支持台８１は、図２Ａに示したテストピース７０における支持台７１と同様であり、銅板によって形成されている。基材側メタライズ層８２は、図２Ａに示したテストピース７０におけるメタライズ層７２と同様である。即ち、基材側メタライズ層８２は、図１に示した半導体装置１におけるメタライズ層３４に相当する、実施例又は比較例のメタライズ層である。接合材層８３は、図１に示した半導体装置１における接合材４に対応する、銀ペースト焼結体である。ブロック８４は、図１における半導体素子２を模擬した銅製ブロックである。ブロック８４の下面即ち接合材層８３側の面には、支持台８１上に設けられた基材側メタライズ層８２と同様のメタライズ層であるブロック側メタライズ層８５が形成されている。即ち、ブロック８４は、ブロック側メタライズ層８５及び接合材層８３を介して、支持台８１上に形成された基材側メタライズ層８２と接合されている。

　図３中、棒グラフは、常温下でのダイアタッチ部における接合強度を、接合初期と熱耐久後（即ち２５０℃で５００時間放置後）とで測定した結果を示す。また、縦線グラフは、高温下（即ち２２５℃）での樹脂モールド部における接着強度を測定した結果を示す。

　図３において、ＮｉＰ／ＣｏＷＰは、実施例のメタライズ層であるＮｉＰ／ＣｏＷＰメッキ層（即ち下地の無電解ニッケルメッキ層の上に無電解ＣｏＷ合金メッキ層を形成したもの）の評価結果を示す。ＮｉＰ／Ａｕは、比較例のメタライズ層であるＮｉＰ／Ａｕメッキ層（即ち下地の無電解ニッケルメッキ層の上に金メッキ層を形成したもの）の評価結果を示す。ＮｉＰ／Ａｇは、比較例のメタライズ層であるＮｉＰ／Ａｇメッキ層（即ち下地の無電解ニッケルメッキ層の上に銀メッキ層を形成したもの）の評価結果を示す。

　図３の評価結果から明らかなように、比較例のメタライズ層であるＮｉＰ／Ａｕメッキ層の場合、高温下での樹脂モールド部における接着強度は良好であった。但し、熱耐久後にダイアタッチ部における接合強度が大きく低下した。即ち、比較例のメタライズ層であるＮｉＰ／Ａｕメッキ層の場合、ダイアタッチ部における耐熱信頼性が不十分であった。一方、比較例のメタライズ層であるＮｉＰ／Ａｇメッキ層の場合、ダイアタッチ部における耐熱信頼性は良好であった。但し、高温下での樹脂モールド部における接着強度が不十分であった。これらに対し、実施例のメタライズ層であるＮｉＰ／ＣｏＷＰメッキ層によれば、高温下での樹脂モールド部における接着強度も、ダイアタッチ部における耐熱信頼性も、ともに良好であった。

　図４において、比較例１のメタライズ層は、ＮｉＰメッキ層（即ち無電解ニッケルメッキ層）である。比較例２のメタライズ層は、上述のＮｉＰ／Ａｕメッキ層である。比較例３のメタライズ層は、ＮｉＰ／ＰｄＰ／Ａｇメッキ層（即ち下地の無電解ニッケルメッキ層の上に無電解パラジウムメッキ層及び金メッキ層を形成したもの）である。実施例１のメタライズ層は、上述のＮｉＰ／ＣｏＷＰメッキ層である。実施例２のメタライズ層は、ＮｉＰ／ＮｉＷＰメッキ層（即ち下地の無電解ニッケルメッキ層の上に無電解ＮｉＷ合金メッキ層を形成したもの）である。実施例３のメタライズ層は、Ｎｉ／ＣｏＷ層である。実施例４のメタライズ層は、Ｎｉ／ＮｉＷ層である。

　図４に示した、ダイアタッチ部の耐熱信頼性の評価結果においては、下記の式で計算された「せん断強度比」が０．７以上である場合をＯＫとし、０．５以下である場合をＮＧとした。
　　せん断強度比＝（熱耐久後のせん断強度）／（接合初期のせん断強度）

　図４に示した、樹脂接着強度（即ち高温下での樹脂モールド部における接着強度）の評価結果においては、下記の評価指標を用いた。
・ＯＫ：２２５℃でのせん断強度が１５ＭＰａ以上である場合
・ＮＧ：２２５℃でのせん断強度が１０ＭＰａ以下、又は２２５℃でのせん断破壊モードが中間層７２と接合層７３との接着界面での剥離である場合

　図４の評価結果から明らかなように、比較例１及び比較例２のメタライズ層においては、高温下での樹脂モールド部における接着強度は良好であった。但し、ダイアタッチ部における耐熱信頼性が不十分であった。一方、比較例３のメタライズ層においては、ダイアタッチ部における耐熱信頼性は良好であった。但し、高温下での樹脂モールド部における接着強度が不十分であった。これらに対し、実施例１～実施例４のメタライズ層においては、高温下での樹脂モールド部における接着強度も、ダイアタッチ部における耐熱信頼性も、ともに良好であった。

　なお、上記の各実施例においては、第二成分として専らタングステンが用いられていた。もっとも、タングステンを含む周期表第６族遷移金属元素と、ニオブ等の周期表第５族遷移金属元素とは、族番号が隣接する遷移金属元素であり、単体金属における結晶格子構造が同一である。よって、環境負荷の観点からクロムを除いた、天然産出可能な周期表第５族又は第６族遷移金属元素を第二成分として用いることで、上記の実施例と同様の効果が期待できる。

　特に、タングステン、モリブデン、ニオブ及びタンタルは、互いに格子定数が近く、互いに完全固溶し、ともに酸性酸化物を構成するなど、化学的性質が近似する。よって、周期表第５族～第６族遷移金属元素における、第５～第６周期の元素を第二成分として用いることで、上記のような良好な効果が得られる。さらに、無電解銅メッキ液に含まれる銅と置換メッキが可能であり、且つ銅に対するバリア性を有する、タングステン又はニオブが好適である。タングステン及びニオブは、凝集エネルギが大きいため、添加により耐熱性向上が図られるものと考えられる。

　（変形例）
　本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、上記実施形態に対しては適宜変更が可能である。以下、代表的な変形例について説明する。以下の変形例の説明においては、上記実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

　本開示は、上記実施形態にて示された具体的な装置構成に限定されない。例えば、プライマ層５は省略され得る。即ち、半導体素子２と接合材４と支持体３とをこの順に積層した接合体Ｓは、プライマ層５を介さずにモールド樹脂６によって直接的に封止され得る。

　メタライズ層３４は、上述の具体例のような二層構造に限定されない。即ち、例えば、メタライズ層３４は、三層以上の多層構造であってもよい。或いは、銅に対する良好なバリア性と、支持体３の内表面３３に対する良好な成膜性とが得られれば、メタライズ層３４は、一層構造であってもよい。具体的には、例えば、上記の具体例におけるＮｉＰ／ＣｏＷＰ二層メッキは、一層のＮｉ－Ｃｏ－Ｗ－Ｐ合金メッキに変更され得る。或いは、上記の各具体例における下地ニッケルメッキ層は、省略され得る。さらに、上記の実施例１及び実施例２に対応する組成においては、無電解メッキ処理の都合上、リンが含まれているが、本開示はリンを含む組成に限定されない。即ち、上記の実施例１及び２のみならず比較例にもリンが含まれていたこと、並びに実施例３及び４がリンを含まない組成であることに鑑みれば、リンを含まない組成の（即ち例えば電解メッキによって形成された）メタライズ層３４によっても本開示の効果が良好に奏され得ることは明白である。

　メタライズ層３４の形成方法は、メッキに限定されない。即ち、メタライズ層３４は、ＣＶＤ等の気相成膜法によっても良好に形成され得る。ＣＶＤはChemical　Vapor　Depositionの略である。

　支持体３は、ＤＢＣ基板又はＤＢＡ基板であってもよい。ＤＢＣはDirect　Bonded　Copperの略である。ＤＢＡはDirect　Bonded　Aluminumの略である。或いは、支持体３は、銅板等の放熱板とＤＢＣ基板又はＤＢＡ基板との接合体であってもよい。

　図５に示されているように、支持体３及び接合材４は、半導体素子２の上面２１だけでなく、下面２２にも取付けられ得る。即ち、支持体３及び接合材４は、半導体素子２の上面２１と下面２２とにそれぞれ取付けられ得る。

　変形例も、上記の例示に限定されない。また、複数の変形例が、互いに組み合わされ得る。更に、上記実施形態の全部又は一部と、変形例の全部又は一部とが、互いに組み合わされ得る。

Claims

　半導体装置（１）であって、
　半導体素子（２）と、
　鉄族元素である第一成分とクロム以外の周期表第５族又は第６族遷移金属元素である第二成分とを含有するメタライズ層（３４）を最表面（３５）に有し、前記最表面が前記半導体素子と対向するように配置された支持体（３）と、
　前記支持体の前記最表面と前記半導体素子との間に配置されていて、前記最表面に接合されることで前記半導体素子を前記支持体に固定するように設けられた接合材（４）と、
　前記支持体と前記接合材と前記半導体素子との接合体（Ｓ）を覆うように設けられたモールド樹脂（６）と、
　を備えた、半導体装置。
　前記接合材は、銀を含有する焼結体層である、請求項１に記載の半導体装置。
　前記支持体の前記最表面と前記モールド樹脂との間に設けられた合成樹脂層であるプライマ層（５）をさらに備えた、請求項１又は２に記載の半導体装置。
　前記プライマ層は、イミド基を含有する芳香族系重合体によって形成された、請求項３に記載の半導体装置。
　前記接合材及び前記支持体は、前記半導体素子の上面（２１）と下面（２２）とにそれぞれ取付けられた、請求項１～４のいずれか１つに記載の半導体装置。
　前記メタライズ層が、さらにリンを含有する、請求項１～４のいずれか１つに記載の半導体装置。