WO2024111058A1 - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

本開示に係る半導体装置は、半導体チップと、第１面と前記第１面と反対側の第２面とを有し、前記第１面が前記半導体チップと接合材で接合された金属ブロックと、前記金属ブロックの前記第２面と接合されたリード電極と、を備え、前記リード電極の前記金属ブロックと接合された面と反対側の面には、複数の凹凸が形成されている。

Description

半導体装置および半導体装置の製造方法

　本開示は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。

　特許文献１には、半導体装置において、パッド部と導電性のスペーサが接合された構造が開示されている。パッド部とスペーサとの接合は、例えば超音波接合などにより行われる。

国際公開第２０２０／１０５４７６号公報

　電力半導体装置などの半導体装置において、半導体チップとリード電極などの配線部材を接合することがある。リード電極と半導体チップを接合する方法として、例えば半導体チップの１つの主面に溶融金属を吐出する方法がある。また、絶縁基板上の回路パターンに予め接合された半導体チップ上に、接合材及びリード電極を配置してリフローする方法がある。このようなリード電極と半導体チップを接合する方法では、金属ワイヤと半導体チップを接合して回路形成する方法と比較して、接合面積が大きい。このため、大電流化および長寿命化が期待できる。

　しかし、上記の方法では、リード電極と半導体チップ上面を接合する工程において半導体装置全体を加熱する必要がある。このため、予め接合されている半導体チップと絶縁基板との接合部の接合材が再溶融するおそれがある。このとき、半導体チップ裏面の接合部の再検査が必要となる可能性がある。また、半導体チップ裏面と絶縁基板との接合材として、はんだを用いている場合は、半導体チップの裏面電極がはんだ中に拡散して、接合強度が低下してしまうという課題があった。

　一方、上記のような課題を避けるために、半導体チップとリード電極とを超音波振動を印可することにより接合すること、つまり超音波接合することが考えられる。しかし、半導体チップの上面を超音波接合の被接合部にすると、半導体チップが損傷するおそれがあり、超音波接合を適用できないという課題があった。

　本開示は、超音波接合時に半導体チップの損傷を抑制できる半導体装置および半導体装置の製造方法を得ることを目的とする。

　本開示に係る半導体装置は、半導体チップと、第１面と前記第１面と反対側の第２面とを有し、前記第１面が前記半導体チップと接合材で接合された金属ブロックと、前記金属ブロックの前記第２面と接合されたリード電極と、を備え、前記リード電極の前記金属ブロックと接合された面と反対側の面には、複数の凹凸が形成されている。

　本開示に係る半導体装置の製造方法は、半導体チップと、第１面と前記第１面と反対側の第２面とを有する金属ブロックの前記第１面とを、接合材で接合した後に、リード電極のうち前記金属ブロックと反対側の面から超音波振動を加えて、前記金属ブロックの前記第２面と前記リード電極とを超音波接合する。

　本開示に係る半導体装置および半導体装置の製造方法では、金属ブロックとリード電極との間を超音波接合することにより、超音波接合時に半導体チップの損傷を抑制できる。

実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の平面図である。 超音波接合痕の他の例を説明する図である。 実施の形態２に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態３に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態４に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態５に係る半導体装置の断面図である。

　各実施の形態に係る半導体装置および半導体装置の製造方法について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
　図１は、実施の形態１に係る半導体装置１００の断面図である。図２は、実施の形態１に係る半導体装置１００の平面図である。図１では、半導体装置１００のうち半導体チップ２０、金属ブロック２４およびリード電極の代表的な接合部の構成が示されている。なお、図１では半導体装置１００は簡略化されて図示されており、例えば半導体チップ２０と電気的に接続される信号線であるワイヤ、信号端子等は省略されている。

　半導体装置１００は例えば電力半導体装置である。半導体装置１００において、ベース板１２上にケース１０が設けられている。ベース板１２は、アルミ合金、銅などの熱伝導に優れる材料で形成されている。ベース板１２の上面のうちケース１０に囲まれた領域には、絶縁基板１４がはんだ、軟ろう等の接合材により接合されている。絶縁基板１４は、窒化アルミニウム、窒化ケイ素などの熱伝導性に優れたセラミックまたは樹脂などから形成される絶縁層と、絶縁層の両面に設けられた回路パターン１６を有する。回路パターン１６は、アルミ合金、銅など形成される。図１では、絶縁基板１４のうち、絶縁層の上面に設けられた回路パターン１６が示されている。

　半導体チップ２０は、基板と、基板上面に設けられた電極２０ａと、基板裏面に設けられた電極２０ｂを有する。半導体チップ２０の電極２０ｂは、回路パターン１６に接合材１８を用いて接合される。接合材１８は、例えばはんだ、軟ろう等である。半導体チップ２０は例えばシリコン（Ｓｉ）素材のＩＧＢＴ、ダイオード、逆導通ＩＧＢＴ等である。半導体チップ２０は、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）系の様なＳｉに比べてバンドギャップの大きい素材で形成されたＭＯＳＦＥＴまたはショットキーダイオード等であっても良い。絶縁基板１４上の半導体チップ２０の数は限定されない。半導体装置１００の用途に応じて、必要な個数または種類の半導体チップ２０を搭載しても良い。

　金属ブロック２４は、第１面と、第１面と反対側の第２面とを有する。第１面は、半導体チップ２０の電極２０ａと接合材２２で接合される。接合材２２は、はんだ、軟ろう等である。金属ブロック２４は銅、アルミなどの熱伝導性に優れ、電気抵抗値の低い金属で形成される。これに限らず、金属ブロック２４は所望の特性を有した金属であれば良い。

　金属で形成されたリード電極２６の下面は、金属ブロック２４の第２面と接合されている。リード電極２６と金属ブロック２４との接合は、超音波接合である。金属ブロック２４とリード電極２６とは接合材を介さずに接合されている。リード電極２６の金属ブロック２４と接合された面と反対側の面には、複数の凹凸５０が形成されている。複数の凹凸５０は超音波接合痕である。複数の凹凸５０は、リード電極２６のうち、平面視で金属ブロック２４と重なる位置に形成される。

　超音波接合痕は超音波振動印可痕とも呼ばれる。超音波接合痕である複数の凹凸５０の形状は、超音波加振ツール６０の先端形状および振動方向によって異なる。例えばリード電極２６の上面に単一方向の往復振動を印可することにより、図２に示されるように、複数の凹凸５０として平行な凹凸が連続した印加痕が形成され得る。また、超音波加振ツール６０の先端形状に依存して、複数の凹凸５０として四角錐が複数連続して形成される場合もある。図３は、超音波接合痕の他の例を説明する図である。図３の例では、複数の凹凸５０ａが２方向に並んでいる。複数の凹凸５０ａは、例えば４ｍｍ×８ｍｍの範囲に形成される。複数の凹凸５０ａに含まれる各凹凸の幅は、例えば０．１ｍｍ～１０ｍｍ程度である。

　一つの半導体チップ２０に対し複数の金属ブロック２４が接合されていても良い。超音波接合痕は金属ブロック２４の数に対応する数だけ形成される。図２の例では、一つの半導体チップ２０に対し２つの金属ブロック２４が接合されている。

　リード電極２６は、ケース１０に予めインサートされた外部電極２８が半導体チップ２０上まで延びることで形成されても良い。リード電極２６は、ケース１０に予め設けられた外部電極２８と、はんだ接合、レーザー溶接、超音波接合などにより接合されても良い。また、リード電極２６の一部は、回路パターン１６と超音波接合、はんだ接合、レーザー溶接等により接続されて、回路を形成しても良い。また、一つのリード電極２６が複数の半導体チップ２０上の複数の金属ブロック２４にまたがって接合されても良い。

　次に、本実施の形態における半導体装置１００の組み立て手順を以下に示す。まず、絶縁基板１４の回路パターン１６と半導体チップ２０、および、半導体チップ２０と金属ブロック２４の第１面を、板はんだ、はんだペースト、軟ろう等の接合材１８、２２で接合する。接合工程では、まず接合材１８、２２を回路パターン１６上および半導体チップ２０上に搭載する。一般に、接合材１８、２２にははんだを用いることが多い。接合材１８、２２であるはんだペースト等は、スクリーン印刷により搭載されても良く、ディスペンス等を用いて塗布されても良い。次に、半導体装置１００を接合材１８、２２の融点を超える温度に加熱することで、接合が実施される。

　金属ブロック２４と半導体チップ２０は、半導体チップ２０を回路パターン１６に接合する工程で同時に接合されても良い。また、半導体チップ２０を回路パターン１６に接合した後に、半導体チップ２０と金属ブロック２４を接合しても良い。この場合、半導体チップ２０上に接合材２２をスクリーン印刷またはディスペンス等で配置し、接合材２２の上に金属ブロック２４を配置した後に、レーザー加熱または熱風加熱等で接合材２２を局所的に加熱して、接合しても良い。これにより、接合材１８が再度溶融することを抑制できる。

　次に、ケース１０をベース板１２に接合する。この工程では、まずケース１０のベース板１２との接合面にシリコーン系またはエポキシ系の接着剤を塗布する。その後、半導体チップ２０および絶縁基板１４が接合されたベース板１２とケース１０を嵌合させ、ケース１０に荷重を加えてケース１０とベース板１２とを密着させる。ケース１０とベース板１２はタッピンねじ等で締結されても良い。ケース１０とベース板１２をクランプ治具等で固定した状態で、接着剤を加熱して固化させても良い。

　次に、金属ブロック２４の第２面にリード電極２６を配置する。次に、図１に示されるように、リード電極２６のうち金属ブロック２４と反対側の面から超音波振動を加えて、金属ブロック２４の第２面とリード電極２６とを超音波接合する。リード電極２６は金属ブロック２４と接する面と反対側の面から超音波加振ツール６０で加圧される。一定の荷重で加圧されながら超音波振動が印加されることで、リード電極２６と金属ブロック２４は接合される。

　次に、半導体チップ２０を制御するための信号回路を形成するために、半導体チップ２０上の制御電極と、外部信号端子とを、超音波接合を用いてワイヤで接続する。一般に、ワイヤには熱伝導性および電気伝導率の高いアルミニウム等が用いられることが多い。

　次に、ケース１０内を封止樹脂にて封止する。封止樹脂として、シリコーンゲルまたはエポキシ樹脂を用いることが多い。これに限らず、所望の弾性率、耐熱性、接着性、線膨張係数などの物性を有しているものであれば、封止樹脂として用いることができる。次に、封止樹脂を硬化させるために半導体装置１００をキュア炉などに入れ、必要な硬化を行って半導体装置１００の形状は完成する。その後、電気的特性などの検査を行い、半導体装置１００は完成する。

　本実施の形態では、半導体チップ２０とリード電極２６との間に金属ブロック２４がある。金属ブロック２４とリード電極２６とを超音波接合することにより、超音波接合時に半導体チップ２０の損傷を抑制できる。つまり、半導体チップ２０の上面が超音波接合の接合部とならないため、リード電極２６に加圧しながら超音波振動を印可しても半導体チップ２０へのダメージを抑制できる。この結果、本実施の形態ではリード電極２６と半導体チップ２０の間で回路形成する際に、超音波接合を適用でき、半導体装置１００全体を加熱する必要がない。このため、予め接合されている半導体チップ２０と絶縁基板１４との接合部が再溶融することを抑制できる。従って、半導体チップ２０裏面の接合部の再検査を回避でき、半導体装置１００を低コストで製造できる。また、半導体チップ２０裏面の接合強度の低下を抑制できる。

　上述した通り、半導体チップ２０は、ワイドバンドギャップ半導体で形成されていても良い。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドである。本実施の形態によれば、半導体チップ２０がワイドバンドギャップ半導体で形成されて高電流が流れる場合にも、接合強度の低下を抑制でき、半導体装置１００の信頼性の低下を抑制できる。

　上述した変形は、以下の実施の形態に係る半導体装置および半導体装置の製造方法について適宜応用することができる。なお、以下の実施の形態に係る半導体装置および半導体装置の製造方法については実施の形態１との共通点が多いので、実施の形態１との相違点を中心に説明する。

実施の形態２．
　図４は、実施の形態２に係る半導体装置２００の断面図である。半導体装置２００は、金属ブロック２２４とリード電極２２６の構造が、実施の形態１の半導体装置１００と異なる。他の構成は、実施の形態１の構成と同様である。金属ブロック２２４の第２面には、リード電極２２６と嵌合する嵌合部が形成されている。具体的には、金属ブロック２２４の第２面には凸部２２４ａが形成され、リード電極２２６の下面には凹部２２６ａが形成されている。金属ブロック２２４の凸部２２４ａが、リード電極２２６の凹部２２６ａに入り込んだ状態で、金属ブロック２２４とリード電極２２６とは超音波接合される。これにより、金属ブロック２２４の凸部２２４ａの上面の平坦部と、リード電極２２６の凹部２２６ａの平坦な底部とが超音波接合される。

　本実施の形態では、金属ブロック２２４とリード電極２２６とが嵌合することで、リード電極２２６が接合前に固定されていない場合でも、リード電極２２６の水平方向の位置決めを容易に実施できる。また、リード電極２２６の水平方向の位置決め精度を向上でき、安定して半導体装置２００を製造できる。

　なお、金属ブロック２２４とリード電極２２６が嵌合できれば、凸部２２４ａと凹部２２６ａの形状は限定されない。また、金属ブロック２２４に凹部が形成され、リード電極２２６に凸部が形成されても良い。

実施の形態３．
　図５は、実施の形態３に係る半導体装置３００の断面図である。半導体装置３００は、リード電極３２６の構造が、実施の形態１の半導体装置１００と異なる。他の構成は実施の形態１の構成と同様である。リード電極３２６の金属ブロック２４と接合された面と反対側の面には、凹部３２７が形成されている。超音波接合痕である複数の凹凸５０は、凹部３２７の底面に形成されている。

　本実施の形態では、リード電極３２６の上面に凹部３２７が形成されているため、リード電極２６と金属ブロック２４とを超音波接合する際に発生する金属屑の飛散を抑制することができる。従って、半導体装置３００を安定して製造できる。凹部３２７の深さは、複数の凹凸５０の最大深さよりも大きいことが好ましい。これにより、金属屑の飛散の抑制効果を高めることができる。複数の凹凸５０の最大深さは例えば０．５ｍｍ～０．８ｍｍである。

　また、凹部３２７の幅は、リード電極３２６のうち金属ブロック２４と接する領域の幅よりも広くても良い。凹部３２７の面積は、リード電極３２６のうち金属ブロック２４と接する領域の面積より広くても良い。これにより、凹部３２７を形成した場合にも超音波接合部の面積を十分に確保できる。

実施の形態４．
　図６は、実施の形態４に係る半導体装置４００の断面図である。半導体装置４００は、金属ブロック４２４の構造が実施の形態１の半導体装置１００と異なる。他の構成は実施の形態１の構成と同様である。金属ブロック４２４は、半導体チップ２０と接合材２２で接合された銅層４２４ａと、リード電極２６と超音波接合されたアルミ層４２４ｂとを有する。金属ブロック４２４は、例えば銅材とアルミ材の表面に圧力を加えて圧延接合して形成されたクラッド材である。

　本実施の形態では、金属ブロック４２４の一部に柔らかいアルミ層４２４ｂがあることで、リード電極２６と金属ブロック４２４を超音波接合する際に、超音波振動が半導体チップ２０に与えるダメージを緩和できる。一方、アルミ材ははんだ等の接合材２２との間に金属間化合物を生成しにくい。半導体チップ２０と接合材２２で接合される面に銅層４２４ａがあることで、半導体チップ２０との金属ブロック４２４とを容易に接合できる。従って、半導体装置４００を安定して製造できる。なお、金属ブロック４２４は、銅層４２４ａとアルミ層４２４ｂを有すれば良い。例えば銅層４２４ａとアルミ層４２４ｂとの間に他の金属層が設けられても良い。

実施の形態５．
　図７は、実施の形態４に係る半導体装置５００の断面図である。半導体装置５００の金属ブロック５２４の厚さｂは、リード電極２６のうち金属ブロック５２４と接合された部分の厚さ以上である。他の構成は実施の形態１の構成と同様である。例えばリード電極２６の厚さが０．６ｍｍの場合、金属ブロック５２４の厚さｂは０．６ｍｍ以上である。本実施の形態では、リード電極２６と金属ブロック５２４とを超音波接合する工程において、半導体チップ２０とリード電極２６の間にリード電極２６よりも厚い金属ブロック５２４がある。これにより、リード電極２６に加圧しながら超音波振動を印可する際に、半導体チップ２０へのダメージを更に抑制できる。従って、半導体装置５００を安定して製造できる。

　各実施の形態で説明した技術的特徴は適宜に組み合わせて用いても良い。

　１０　ケース、１２　ベース板、１４　絶縁基板、１６　回路パターン、１８　接合材、２０　半導体チップ、２０ａ、２０ｂ　電極、２２　接合材、２４　金属ブロック、２６　リード電極、２８　外部電極、５０、５０ａ　凹凸、６０　超音波加振ツール、１００、２００　半導体装置、２２４　金属ブロック、２２４ａ　凸部、２２６　リード電極、２２６ａ　凹部、３００　半導体装置、３２６　リード電極、３２７　凹部、４００　半導体装置、４２４　金属ブロック、４２４ａ　銅層、４２４ｂ　アルミ層、５００　半導体装置、５２４　金属ブロック

Claims (12)

1. 　半導体チップと、
   　第１面と前記第１面と反対側の第２面とを有し、前記第１面が前記半導体チップと接合材で接合された金属ブロックと、
   　前記金属ブロックの前記第２面と接合されたリード電極と、
   　を備え、
   　前記リード電極の前記金属ブロックと接合された面と反対側の面には、複数の凹凸が形成されていることを特徴とする半導体装置。
2. 　前記複数の凹凸は超音波接合痕であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 　前記金属ブロックと前記リード電極とは接合材を介さずに接合されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 　前記金属ブロックの前記第２面には、前記リード電極と嵌合する嵌合部が形成されていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の半導体装置。
5. 　前記リード電極の前記金属ブロックと接合された面と反対側の面には、凹部が形成され、
   　前記複数の凹凸は、前記凹部の底面に形成されていることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の半導体装置。
6. 　前記凹部の幅は、前記リード電極のうち前記金属ブロックと接する領域の幅よりも広いことを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
7. 　前記凹部の深さは、前記複数の凹凸の最大深さよりも大きいことを特徴とする請求項５または６に記載の半導体装置。
8. 　前記金属ブロックは、前記リード電極と接合されたアルミ層と、前記半導体チップと接合された銅層を有する。ことを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の半導体装置。
9. 　前記金属ブロックの厚さは、前記リード電極のうち前記金属ブロックと接合された部分の厚さ以上であることを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載の半導体装置。
10. 　前記半導体チップは、ワイドバンドギャップ半導体で形成されていることを特徴とする請求項１から９の何れか１項に記載の半導体装置。
11. 　前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドであることを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置。
12. 　半導体チップと、第１面と前記第１面と反対側の第２面とを有する金属ブロックの前記第１面とを、接合材で接合した後に、リード電極のうち前記金属ブロックと反対側の面から超音波振動を加えて、前記金属ブロックの前記第２面と前記リード電極とを超音波接合することを特徴とする半導体装置の製造方法。

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