WO2026009358A1 - 半導体装置、半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

半導体装置は、一方面に第１電極を有するとともに他方面に第１電極より面積の大きい第２電極を有する半導体素子と、第１電極と電気的に接続される第１導体と、第２電極と電気的に接続される第２導体と、第１電極と第１導体、および第２電極と第２導体とをシンタ接合する焼結部材と、半導体素子の一方面のうち第１導体との接続面よりも外周側の余白領域に当接する加圧力伝達部材と、を備え、加圧力伝達部材は、半導体素子の余白領域に当接する軟質部材と、軟質部材よりも硬い硬質部材と、を備える。

Description

半導体装置、半導体装置の製造方法

　本発明は、半導体装置、および半導体装置の製造方法に関する。

　半導体装置は、小型や低発熱だけでなく、高信頼性の要求もある。特許文献１には、基板と、前記基板上に搭載され、表面電極および前記表面電極の反対側に裏面電極を有する半導体チップと、前記半導体チップの前記表面電極に対向して配置されたリードフレームと、前記基板と前記半導体チップの前記裏面電極との間に形成された第１の接合部と、前記半導体チップの前記表面電極と前記リードフレームとの間に形成された第２の接合部と、を備え、前記リードフレームは、前記第２の接合部を介して前記表面電極と接続された電極部と、前記電極部間を連結するブリッジ部と、前記電極部の上面に形成された樹脂層とを有しており、前記樹脂層は、前記ブリッジ部の下面および前記電極部の下面における前記表面電極と接合されない部分に形成されたことを特徴とする半導体装置が開示されている。

特開２０１８－００６４９２号公報

　特許文献１に記載されている発明では、半導体装置の信頼性に改善の余地がある。

　本発明の第１の態様による半導体装置は、一方面に第１電極を有するとともに他方面に前記第１電極より面積の大きい第２電極を有する半導体素子と、前記第１電極と電気的に接続される第１導体と、前記第２電極と電気的に接続される第２導体と、前記第１電極と前記第１導体、および前記第２電極と前記第２導体とをシンタ接合する焼結部材と、前記半導体素子の前記一方面のうち前記第１導体との接続面よりも外周側の余白領域に当接する加圧力伝達部材と、を備え、前記加圧力伝達部材は、前記半導体素子の前記余白領域に当接する軟質部と、前記軟質部材よりも硬い硬質部と、を備える。
　本発明の第２の態様による半導体装置の製造方法は、一方面に第１導体と電気的に接続される第１電極を有し、前記一方面とは逆側の他方面に前記第１電極よりも面積が大きく第２導体と電気的に接続される第２電極を有する半導体素子を含む半導体装置の製造方法であって、前記第１電極と前記第１導体との間、および前記第２電極と前記第２導体との間に焼結材を配置する配置工程と、前記半導体素子の前記一方面のうち前記第１導体との接続面よりも外周側の余白領域に当接する軟質部分、および前記軟質部分よりも硬い硬質部分を有する加圧力伝達部材を前記第１導体に固定する固定工程と、前記第１導体および前記加圧力伝達部材によって前記半導体素子が前記第２導体に向かって加圧された状態で、前記焼結材を焼結することによって、前記半導体素子と前記第１導体および前記半導体素子と前記第２導体を接合する接合工程と、を含み、前記配置工程および前記固定工程の順番は入れ替え可能であり、前記配置工程および前記固定工程の実行後に前記接合工程を実行する。

　本発明によれば、半導体装置の信頼性を向上できる。

半導体装置の断面図 半導体装置の平面図 半導体装置の接合工程を示す図 半導体装置の接合工程を示す図 変形例１における半導体装置の断面図 変形例２における半導体装置の断面図

―実施の形態―
　以下、図１～図４を参照して、半導体装置、および半導体装置の製造方法の実施の形態を説明する。

　図１は、半導体装置１の断面図である。本実施の形態では、図面間の相関を明示するために、直交するＸＹＺを各図に記載する。半導体装置１は、図示中央に示す半導体素子２と、第１導体１１と、第２導体１２と、制御用導体１３と、加圧力伝達部材２０と、第１接合部３１と、第２接合部３２と、第３接合部３３と、を備える。加圧力伝達部材２０は、硬質部２１と軟質部２２とを含む。半導体装置１の形状は大まかに次のとおりである。すなわち、半導体素子２はＺ軸方向の両側から第１導体１１および第２導体１２により挟み込まれ、さらに第１導体１１と半導体素子２の隙間に加圧力伝達部材２０が配されている。加圧力伝達部材２０は、第１導体１１と半導体素子２との間に配される「スペーサー」とも呼べる。

　第１接合部３１、第２接合部３２、および第３接合部３３は、いずれもシンタ接合である。なおシンタ接合は、「シンタリング接合」や「シンタ―接合」とも呼ばれる。以下では、第１接合部３１、第２接合部３２、および第３接合部３３をまとめて「焼結部材」とも呼ぶ。

　半導体素子２は略平板状である。半導体素子２は、Ｚ軸プラス側の第１面２ＰおよびＺ軸マイナス側の第２面２Ｎを有する。第１面２Ｐには、第１電極８１および制御電極８３が形成される。第２面２Ｎには、第２電極８２が形成される。第１電極８１の面積よりも、第２電極８２の面積の方が大きい。

　第１導体１１は、半導体素子２の側に突出する突起部１１Ｐを有する。突起部１１ＰのＺ軸マイナス側の面は、半導体素子２の第１面２Ｐに形成される第１電極８１の形状および面積に略一致する。第１導体１１の突起部１１Ｐは、第１接合部３１を介して半導体素子２と接する。第１接合部３１は、突起部１１Ｐと同一の形状、または突起部１１Ｐよりも小さい形状を有する。第２導体１２は、第２接合部３２を介して半導体素子２の第２電極８２と接する。第２接合部３２の形状は、半導体素子２のＸＹ平面における形状と同形状、または半導体素子２のＸＹ平面における形状よりも大きい形状である。第１接合部３１および第２接合部３２は、接合時に加圧を要する部材である。

　加圧力伝達部材２０は、硬質部２１と軟質部２２とを含む。以下では、硬質部２１を「硬質部材」とも呼び、軟質部２２を「軟質部材」とも呼ぶ。加圧力伝達部材２０の内部には、半導体素子２の制御用電極と電気的に接続される制御用導体１３が埋包される。制御用導体１３は、第３接合部３３を介して半導体素子２と接する。加圧力伝達部材２０は、ＸＹ平面において第１導体１１が接触していない半導体素子２の領域を網羅する形状を有する。加圧力伝達部材２０のＺ軸プラス側の端面は、突起部１１Ｐではない第１導体１１のＺ軸マイナス側の面に接する。第３接合部３３を除き、硬質部２１よりも半導体素子２の側には軟質部２２が配される。すなわち硬質部２１は半導体素子２に接しない。軟質部２２は、接合の際には圧縮された状態となる。軟質部２２の圧縮時の厚みは、第１接合部３１および第３接合部３３の接合圧力と同程度の力を付与した際の厚みと略同一である。軟質部２２の厚みをこのように設定することで、半導体素子２の全面に均一な圧力を付与できる。

　第１導体１１および第２導体１２は、銅やアルミなどの導電性および熱伝導性の高い金属である。ただし第１導体１１および第２導体１２は、銅やアルミなどの金属含む絶縁性基板でもよい。第１導体１１には回路が形成されてもよいが、本実施の形態では図示しない。制御用導体１３は、銅やアルミなどの導電性および熱伝導性の高い金属である。

　第１接合部３１、第２接合部３２、および第３接合部３３、は焼結材や加圧を要する接合部材である。第１接合部３１、第２接合部３２、および第３接合部３３は接合の対象が異なるため名称を異ならせているが、これらのうち２つ以上が同一の組成でもよい。接合部材の接合前の形態は、シート状やペースト状であってもよい。加圧力伝達部材２０の硬質部２１および軟質部２２には絶縁材料が用いられる。たとえば、硬質部２１にはエポキシ樹脂やフッ素樹脂などを用いることができ、軟質部２２にはシリコーンやゴムなどを用いることができる。なお、硬質部２１と軟質部２２のヤング率は圧倒的に異なる。

　図２は、半導体装置１の平面図である。ただし図２では、第１導体１１を記載しておらず、加圧力伝達部材２０は最内周および最外周のみ記載している。図示中央のハッチングで示す領域が第１接合部３１であり、第１接合部３１の外周部と加圧力伝達部材最内周２０－１が一致する。図２の外周が加圧力伝達部材最外周２０－２である。第２接合部３２は、半導体素子２の外周の細い淵として図示されている。第３接合部３３は、制御用導体１３のＸ軸マイナス方向の端部に配される。本来は、第３接合部３３は制御用導体１３の陰に隠れるが図２では第３接合部３３の位置を明示するためにＸ軸方向およびＹ軸方向に実際よりも大きく記載している。

　図３～図４は、半導体装置１の接合工程を示す図である。以下では、説明の便宜のために第１工程～第７工程に分けて順番に説明するが、いくつかの工程をまとめて実行してもよいし実行する順番を入れ替えてもよい。

　第１工程では、制御用導体１３を埋設した加圧力伝達部材２０を作成する。第２工程では、図３（ａ）に示すように、第１導体１１に対して加圧力伝達部材２０を装着する。この装着は、たとえば嵌め合いにより実現されてもよいし、接着剤を用いてもよい。第２工程は、「固定工程」とも呼ぶ。第３工程では、第２導体１２に対して、第２接合部３２となる焼結材を塗布する。焼結材は、銀などの焼結現象を利用できる金属である。塗布の厚みは、所定の接合厚みに対するペースト時の厚みとなる。使用する焼結材によっては、焼結材を乾燥させる。第４工程では、第２接合部３２となる焼結材の上に半導体素子２を配置する。以下では、第３工程と第４工程とを合わせて「配置工程」と呼ぶ。

　第５工程では、図３（ｂ）に示すように、半導体素子２に対して第１接合部３１および第３接合部３３となる焼結部材を塗布する。塗布厚みは、所定の接合厚みに対するペースト時の厚みとなる。使用する接合部材によっては、焼結部材を乾燥させる。焼結部材の厚みと、軟質部２２の特性および厚みの関係は次のとおりである。たとえば、第１接合部３１となる焼結部材の塗布時の厚みを１００μｍ、接合時の厚みを３０μｍ、接合圧力を２０ＭＰａに設計した場合を想定する。この場合に、軟質部２２の材料および厚みは、７０μｍの変位時に圧力２０Ｍｐａとなるように選定する。前述のように軟質部２２と硬質部２１のヤング率は圧倒的に異なるため、ここでは硬質部２１は変形量をゼロとして説明している。第２工程～第５工程は実行する順番を入れ替えてもよい。次に説明する第６工程は、第１工程～第５工程の実行後に実行される。

　第６工程では、図４（ａ）に示すように、突起部１１Ｐと第１接合部３１とが接触し、制御用導体１３と第３接合部３３とが接触するように配置する。第６工程の実行後に実行される第７工程では、半導体素子２を第１導体１１と第２導体１２とで挟むように加圧および加熱する。この加熱は、各接合部を焼結、すなわちシンタ接合させるために必要な加熱である。第７工程は「接合工程」とも呼ぶ。以上の工程により、図４（ｂ）に示すように、第１導体１１、第２導体１２、半導体素子２、制御用導体１３とが、第１接合部３１、第２接合部３２、および第３接合部３３を介して接合される。

　上述した実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）第１面２Ｐに第１電極８１を有するとともに第２面２Ｎに第１電極８１より面積の大きい第２電極８２を有する半導体素子２と、第１電極８１と電気的に接続される第１導体１１と、第２電極８２と電気的に接続される第２導体１２と、第１電極８１と第１導体１１、および第２電極８２と第２導体１２とをシンタ接合する第１接合部３１、第２接合部３２、および第３接合部３３と、半導体素子２の第１面２Ｐのうち第１導体１１との接続面よりも外周側の余白領域に当接する加圧力伝達部材２０と、を備える。加圧力伝達部材２０は、半導体素子２の余白領域に当接する軟質部２２と、軟質部材よりも硬い硬質部２１と、を備える。そのため、半導体素子２の破損や接合不良を抑制し、半導体装置１の信頼性を向上できる。具体的には次のとおりである。

　第１電極８１は第２電極８２よりも面積が小さいため、仮に各電極部分だけを導体で押圧すると、第１電極８１には第２電極８２よりも大きな圧力が生じる。しかし本実施の形態では、第１面２Ｐのうち第１導体１１との接続面よりも外周側の余白領域に加圧力伝達部材２０が接するので、第１電極８１よりも広い面積で押圧できる。また、加圧力伝達部材２０は硬質部２１および軟質部２２を有し、接合時に第１接合部３１の厚みが変化した際に軟質部２２も同様に変位して半導体素子２を加圧することで、第２接合部３２に対して、均一な圧力を付与できる。なお、硬質部２１が半導体素子２に接する構成の場合には、硬質部２１が変形しにくいので半導体素子２と狭い領域、たとえば点で接触する可能性がある。この場合は硬質部２１と接触する半導体素子２の局所に強い力が生じるため好ましくなく、本実施の形態で示したように軟質部２２が半導体素子２と接する構成が望ましい。

（２）半導体素子２は、第１面２Ｐに第１電極８１および制御電極８３を有する。加圧力伝達部材２０は、半導体素子２の制御電極８３と電気的に接続される制御用導体１３を保持する。そのため、ワイヤーボンディング等の個別接続の工程を削除できる。

（３）制御用導体１３は、加圧力伝達部材２０の硬質部２１および軟質部２２に埋設される。

（４）第１電極８１と第１導体１１とをシンタ接合する第１接合部３１を所望の接合圧によって第１の変位量だけ圧縮変形する場合に、軟質部２２は、第１の変位量だけ圧縮変形した場合の変位圧力が所望の接合圧と同等の圧力となるように形成される。そのため、第２接合部３２の全面に対して均一な圧力を付与できる。

（５）半導体素子２は、第１面２Ｐに第１導体１１と電気的に接続される第１電極８１を有し、第２面２Ｎに第１電極８１よりも面積が大きく第２導体１２と電気的に接続される第２電極８２を有する。この半導体素子２を含む半導体装置１の製造方法は次の配置工程、固定工程、および接合工程を含む。配置工程では、第１電極８１と第１導体１１との間、および第２電極８２と第２導体１２との間に第１接合部３１および第２接合部３２となる焼結材を配置する。固定工程では、半導体素子２の第１面２Ｐのうち第１導体１１との接続面よりも外周側の余白領域に当接する軟質部２２、および軟質部２２よりも硬い硬質部２１を有する加圧力伝達部材２０を第１導体１１に固定する。接合工程では、第１導体１１および加圧力伝達部材２０によって半導体素子２が第２導体１２に向かって加圧された状態で、焼結材を焼結することによって、半導体素子２と第１導体１１および半導体素子２と第２導体１２を接合する。

（変形例１）
　図５は、変形例１における半導体装置１Ａの断面図である。上述した実施の形態では、制御用電極と接続される制御用導体１３が加圧力伝達部材２０に埋包されたが、制御用導体１３が加圧力伝達部材２０に埋包されなくてもよい。この場合は、第３接合部３３も不要である。

（変形例２）
　図６は、変形例２における半導体装置１Ｂの断面図である。上述した実施の形態では、加圧力伝達部材２０の軟質部２２は、半導体素子２のＺ軸プラスの面で半導体素子２と接した。しかし軟質部２２は、半導体素子２の外周縁よりも外周側にはみ出すように形成され、半導体素子２の外縁形状に追従してもよい。この場合は、軟質部２２が半導体素子２のＺ軸プラス側の面よりもマイナス側、すなわち図示下方にまで延びてＸ軸方向からも半導体素子２と接する。

　この変形例２によれば、次の作用効果が得られる。
（６）軟質部２２は、半導体素子２の外周縁よりも外周側にはみ出すように形成され、半導体素子２の外縁形状に追従している。そのため、半導体素子２との接触面積を増やし、点接触による破損を防止できる。

１　　　　：半導体装置
２　　　　：半導体素子
２Ｐ　　　：第１面
２Ｎ　　　：第２面
１１　　　：第１導体
１２　　　：第２導体
１３　　　：制御用導体
２０　　　：加圧力伝達部材
２１　　　：硬質部
２２　　　：軟質部
３１　　　：第１接合部
３２　　　：第２接合部
３３　　　：第３接合部

Claims (6)

1. 　一方面に第１電極を有するとともに他方面に前記第１電極より面積の大きい第２電極を有する半導体素子と、
   　前記第１電極と電気的に接続される第１導体と、
   　前記第２電極と電気的に接続される第２導体と、
   　前記第１電極と前記第１導体、および前記第２電極と前記第２導体とをシンタ接合する焼結部材と、
   　前記半導体素子の前記一方面のうち前記第１導体との接続面よりも外周側の余白領域に当接する加圧力伝達部材と、を備え、
   　前記加圧力伝達部材は、前記半導体素子の前記余白領域に当接する軟質部材と、前記軟質部材よりも硬い硬質部材と、を備える半導体装置。
2. 　請求項１に記載の半導体装置において、
   　前記半導体素子は、前記一方面に前記第１電極および制御電極を有し、
   　前記加圧力伝達部材は、前記半導体素子の前記制御電極と電気的に接続される制御用導体を保持する半導体装置。
3. 　請求項２に記載の半導体装置において、
   　前記制御用導体は、前記加圧力伝達部材の前記硬質部材および前記軟質部材に埋設される半導体装置。
4. 　請求項１に記載の半導体装置において、
   　前記第１電極と前記第１導体とをシンタ接合する前記焼結部材を所望の接合圧によって第１の変位量だけ圧縮変形する場合に、前記軟質部材は、前記第１の変位量だけ圧縮変形した場合の変位圧力が前記所望の接合圧と同等の圧力となるように形成される半導体装置。
5. 　請求項１に記載の半導体装置において、
   　前記軟質部材は、前記半導体素子の外周縁よりも外周側にはみ出すように形成され、前記半導体素子の外縁形状に追従している半導体装置。
6. 　一方面に第１導体と電気的に接続される第１電極を有し、前記一方面とは逆側の他方面に前記第１電極よりも面積が大きく第２導体と電気的に接続される第２電極を有する半導体素子を含む半導体装置の製造方法であって、
   　前記第１電極と前記第１導体との間、および前記第２電極と前記第２導体との間に焼結材を配置する配置工程と、
   　前記半導体素子の前記一方面のうち前記第１導体との接続面よりも外周側の余白領域に当接する軟質部、および前記軟質部よりも硬い硬質部を有する加圧力伝達部材を前記第１導体に固定する固定工程と、
   　前記第１導体および前記加圧力伝達部材によって前記半導体素子が前記第２導体に向かって加圧された状態で、前記焼結材を焼結することによって、前記半導体素子と前記第１導体および前記半導体素子と前記第２導体を接合する接合工程と、を含み、
   　前記配置工程および前記固定工程の順番は入れ替え可能であり、
   　前記配置工程および前記固定工程の実行後に前記接合工程を実行する、半導体装置の製造方法。