(57)【要約】【課題】半導体装置と導体部材との間を接合するはんだ層の内部に、ボイドが形成されることを抑制する。【解決手段】本明細書が開示する半導体装置は、半導体基板と半導体基板上に配置されているはんだ用電極とを備える。はんだ用電極の表面は、第１の金属材料が露出する第１範囲と、第２の金属材料が露出する第２範囲とを有し、第１の金属材料は、第２の金属材料よりもはんだ濡れ性が高い。また、第２範囲の面積に対する第１範囲の面積の比率は、当該表面の中心から当該表面の外周縁に向かうにつれて低下する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と
前記半導体基板上に配置されているはんだ用電極と、を備え、
前記はんだ用電極の表面は、第１の金属材料が露出する第１範囲と、第２の金属材料が露出する第２範囲とを有し、
前記第１の金属材料は、前記第２の金属材料よりもはんだ濡れ性が高く、
前記第２範囲の面積に対する前記第１範囲の面積の比率は、前記表面の中心から前記表面の外周縁に向かうにつれて低下する、
半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、半導体装置が開示されている。半導体装置は、半導体基板と、半導体基板上に配置されているはんだ用電極を備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１８９２１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した半導体装置は、半導体モジュール内に用いられる。その際に、半導体装置のはんだ用電極と、半導体モジュールを構成する他の構成部品（例えば、導体部材等）との間は、はんだ付けによって接合される。このはんだ付けにおいて、はんだの内部にボイドが形成されることが問題となっている。これは、はんだが溶融している間に、はんだ用電極や導体部材からガス（例えば、水素やアルゴン）が発生したり、空気が入り込んだりするためである。特に、半導体装置と導体部材との間に位置するはんだの溶融は、温度が上昇し易いはんだの周縁から中心に向かって進行していく。そのため、はんだによる接合（即ち、金属間化合物の形成）も、はんだ用電極の周縁から中心に向かって進行していくので、はんだ用電極の中心側においてはんだの内部にボイドが生じやすく、はんだの外部に放出され難い。その結果、固化後のはんだの内部において、比較的大きなボイドが形成されることがある。本明細書は、半導体装置と導体部材との間を接合するはんだ層の内部に、ボイドが形成されることを抑制する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示する半導体装置は、半導体基板と半導体基板上に配置されているはんだ用電極とを備える。はんだ用電極の表面は、第１の金属材料が露出する第１範囲と、第２の金属材料が露出する第２範囲とを有し、第１の金属材料は、第２の金属材料よりもはんだ濡れ性が高い。また、第２範囲の面積に対する第１範囲の面積の比率は、当該表面の中心から当該表面の外周縁に向かうにつれて低下する。
【０００６】
上記の半導体装置では、はんだ用電極の表面は、第１の金属材料が露出する第１範囲と、第２の金属材料が露出する第２範囲とを有する。第１の金属材料は、第２の金属材料よりもはんだ濡れ性が高く、第２範囲の面積に対する第１範囲の面積の比率は、はんだ用電極の表面の中心からはんだ用電極の表面の外周縁に向かうにつれて低下する。これにより、はんだ用電極の表面における実質的なはんだ濡れ性は、第１範囲の面積比が大きい中心側において高く、周縁に向かうにつれて低くなる。従って、はんだ用電極と導体部材との間ではんだが溶融したときに、はんだ用電極に対するはんだの濡れ広がりは、中心側において先に進行し、その後に周縁に向けて拡大していく。これにより、溶融したはんだ内にボイドが生成されたとしても、当該ボイドは中心側から周縁へと徐々に移動していき、はんだの外部へ放出され易い。その結果、半導体装置と導体部材との間を接合するはんだ層の内部に、ボイドが形成されることは抑制される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施例の半導体モジュール５０の内部構造を示す断面図。
【図２】下面電極１０ｂの表面の構成を示す半導体装置１０の下面図。
【図３】下面電極１０ｂの構成を示す半導体モジュール５０の模式図。
【図４】積層体４０を加熱して、はんだ３６が溶融していく過程を示す。
【図５】積層体４０を加熱して、はんだ３６が溶融していく過程を示す。
【図６】積層体４０を加熱して、はんだ３６が溶融していく過程を示す。
【図７】積層体４０を除熱して、はんだ３６が固化した状態を示す。
【図８】下面電極１０ｂの表面の構成の変形例を示す半導体装置１０の下面図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図面を参照して、実施例の半導体装置１０とそれが採用された半導体モジュール５０について説明をする。半導体モジュール５０は、例えば、電気自動車、ハイブリッド車、又は燃料電池車等に搭載される電子制御回路に搭載されている。図１に示すように、半導体モジュール５０は、半導体装置１０、導体スペーサ２２、上側放熱板２４、下側放熱板２６及び封止体２８を備える。半導体装置１０、導体スペーサ２２、上側放熱板２４及び下側放熱板２６は、封止体２８によって一体に封止されている。封止体２８は、例えばエポキシ樹脂といった熱硬化性の樹脂材料を用いて構成されている。また、半導体モジュール５０は、封止体２８の内部から外部に向かって延びる複数の外部接続端子（図示省略）を備える。半導体装置１０は、封止体２８の内部において、複数の外部接続端子に電気的に接続されている。
【０００９】
半導体装置１０は、半導体基板１２と上面電極１０ａと下面電極１０ｂとを備える。上面電極１０ａは、半導体基板１２の上面に位置しており、下面電極１０ｂは半導体基板１２の下面に位置する。半導体基板１２は、例えばシリコン（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、又は窒化ガリウム（ＧａＮ）といった各種の半導体材料を用いて構成されることができる。上面電極１０ａ及び下面電極１０ｂを構成する材料には、例えば、ニッケル（Ｎｉ）系又は他の金属等を採用することができる。ここでいうニッケル系金属は、純ニッケル又はニッケルを主成分とした合金を示す。なお、下面電極１０ｂについては、その特徴的な構造を後段において説明する。半導体装置１０は、パワー半導体装置であり、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。但し、半導体装置１０は、ＩＧＢＴに限定されずＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）又はダイオード等といった他のパワー半導体装置が採用されていてもよい。また、半導体装置１０は、単体のパワー半導体装置による構成に限定されず、例えばＩＧＢＴとダイオードとを内蔵するＲＣ−ＩＧＢＴ（Reverse Conducting IGBT）といった異種のパワー半導体装置を組み合わせて構成されていてもよい。
【００１０】
導体スペーサ２２は、半導体装置１０の上側に位置している。導体スペーサ２２は、概して板形状又はブロック形状を有する導体部材であり、例えば銅（Ｃｕ）又は他の金属等で構成されている。導体スペーサ２２は、上面と、上面の反対側に位置する下面を有している。導体スペーサ２２の上面は、後述する上側放熱板２４の下面にはんだ層３２を介して接合されている。導体スペーサ２２の下面は、半導体装置１０の上面電極１０ａにはんだ層３４を介して接合されている。即ち、導体スペーサ２２は、半導体装置１０と電気的及び熱的に接続されている。
【００１１】
上側放熱板２４は、導体スペーサ２２の上側に位置している。上側放熱板２４は、板形状又は直方体形状を有する導体部材であり、例えば銅又は他の金属で構成されている。上側放熱板２４は、上面と、上面の反対側に位置する下面とを有する。上側放熱板２４の下面は、導体スペーサ２２の上面にはんだ層３２を介して接合されている。即ち、上側放熱板２４は、導体スペーサ２２を介して半導体装置１０と電気的及び熱的に接続されている。上側放熱板２４の上面は、封止体２８の上面において外部に露出されている。
【００１２】
下側放熱板２６は、半導体装置１０の下側に位置している。下側放熱板２６は、板形状又は直方体形状を有する導体部材であり、例えば銅又は他の金属で構成されている。下側放熱板２６は、上面と、上面の反対側に位置する下面とを有する。一例ではあるが、下側放熱板２６の上面は、ニッケル系金属層３８を有している。下側放熱板２６の上面は、半導体装置１０の下面電極１０ｂにはんだ層３６を介して接合されている。即ち、下側放熱板２６は、半導体装置１０と電気的及び熱的に接続されている。下側放熱板２６の下面は、封止体２８の下面において外部に露出されている。従って、上側放熱板２４及び下側放熱板２６は、半導体装置１０で生じる熱を外部へ放出する放熱板としても機能する。
【００１３】
図２、図３を参照して、下面電極１０ｂの構造について説明する。下面電極１０ｂは、第１金属層２０、第２金属層１８、第３金属層１６及び第４金属層１４を有する。これらの金属層１４、１６、１８、２０は、半導体基板１２上に、第４金属層１４、第３金属層１６、第２金属層１８、第１金属層２０の順で積層されている。第１金属層２０は、例えば金（Ａｕ）といった、はんだ濡れ性の高い金属を用いて構成されている。第２金属層１８は、例えばニッケルといった、はんだとの接合性に優れた金属を用いて構成されている。
【００１４】
第３金属層１６は、例えば、チタン（Ｔｉ）又はその他の金属を用いて構成されている。第４金属層１４は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）系又はその他の金属材料を用いて構成されている。ここでいうアルミニウム系金属とは、純アルミニウム又はアルミニウムを主成分とした合金（例えばアルミニウム−シリコン（Ａｌ−Ｓｉ）系合金）のことを示す。一例ではあるが、第１金属層２０、第２金属層１８、第３金属層１６及び第４金属層１４の厚み寸法は、それぞれ約０．０５μｍ、約１μｍ、約０．２μｍ及び約０．８μｍ程度であってもよい。
【００１５】
第１金属層２０は、第２金属層１８の全面ではなく、第２金属層１８の一部を覆っている。これにより、下面電極１０ｂの表面は、第１金属層２０が露出する第１範囲Ｒ１と、第２金属層１８が露出する第２範囲Ｒ２とを有する。前述したように、第１金属層２０は、はんだ濡れ性に優れた金属材料で構成されており、第２金属層１８よりもはんだ濡れ性が高い。ここでいうはんだ濡れ性は、はんだに対する親和性を示す。例えば、はんだ濡れ性が高いと、はんだに対する親和性が高く、はんだが接触する表面（この場合、下面電極１０ｂの表面）に対して濡れ広がりやすい。
【００１６】
図２に示すように、第１金属層２０は、第２金属層１８上で放射状にパターニングされている。即ち、第１範囲Ｒ１は、下面電極１０ｂの表面の中心を基点とし、周縁に向けて放射状に延びている。第２金属層１８が露出する第２範囲Ｒ２は、下面電極１０ｂの表面のうち、第１範囲Ｒ１を除く他の範囲である。これにより、下面電極１０ｂの表面では、第２範囲Ｒ２の面積に対する第１範囲Ｒ１の面積の比率が、当該表面の中心から外周縁に向かうにつれて低下する。
【００１７】
このような構成によると、下面電極１０ｂの表面における実質的なはんだ濡れ性は、第１範囲Ｒ１の面積比が大きい中心側において高く、周縁に向かうにつれて低くなる。従って、下面電極１０ｂと下側放熱板２６との間ではんだが溶融したときに、下面電極１０ｂに対するはんだの濡れ広がりは、中心側において先に進行し、その後に周縁に向けて拡大していく。これにより、溶融したはんだ内にボイドが生成されたとしても、中心側から周縁へと進行するはんだの濡れ広がりに伴って、当該ボイドは中心側から周縁へと徐々に移動していき、はんだの外部へ放出され易い。その結果、半導体装置１０と下側放熱板２６との間を接合するはんだ層３６の内部に、ボイドが形成されることは抑制される。
【００１８】
ここで、下面電極１０ｂは、本明細書が開示する技術における「はんだ用電極」の一例である。また、第１金属層２０を構成する材料及び第２金属層１８を構成する材料は、本明細書が開示する技術における「第１の金属材料」及び「第２の金属材料」の一例である。上述した具体的な構成は、一例であって、様々に変更可能である。例えば、第１金属層２０は、金に限定されず、他の金属材料を用いて構成されていてもよい。第２金属層１８は、ニッケルに限定されず、ニッケル系又はその他の金属材料によって構成されていてもよい。第１金属層２０及び第２金属層１８を構成する金属材料の組み合わせは、金及びニッケルに限られず、第１金属層２０を構成する金属材料が、第２金属層１８を構成する金属材料よりも、はんだ濡れ性が高ければよい。一例ではあるが、第１金属層２０及び第２金属層１８を構成する金属材料の組み合わせが、それぞれ銀（Ａｇ）及び銅といった金属材料の組み合わせであってもよい。
【００１９】
図３−図７を参照して、半導体モジュール５０の製造方法について説明する。ここでは特に、半導体装置１０と下側放熱板２６との間のはんだ付けについて説明する。他の構成要素を形成する工程については、公知である各種の手法を適宜用いて形成することができ、ここでは説明を省略する。
【００２０】
先ず、図３に示すように、半導体装置１０と下側放熱板２６とを用意し、それらの間にはんだ３６を配置した積層体４０を形成する。半導体装置１０と下側放熱板２６との間に配置するはんだ３６には、例えばシート形状のはんだ材を採用することができる。ここで、はんだ３６は、前述したはんだ層３６を構成するため、同じ符号を付して説明する。
【００２１】
次いで、図４−図７に示すように、半導体装置１０と下側放熱板２６との間をはんだ付けするリフロー工程を実施する。この工程では、積層体４０を例えばリフロー炉内に配置し、積層体４０を加熱してはんだ３６を溶融させ、その後に積層体４０から除熱してはんだ３６を固化させる。このとき、溶融したはんだ３６と接触する下面電極１０ｂ及び下側放熱板２６の界面に金属間化合物Ｋが形成されることにより、半導体装置１０と下側放熱板２６は接合される。このリフロー工程では、例えばリフロー炉内を減圧することによって、積層体４０を減圧下において加熱してもよい。
【００２２】
積層体４０を加熱してはんだ３６を溶融させると、下面電極１０ｂに対するはんだ３６の濡れ広がりは、第１範囲Ｒ１が比較的に多く露出する中心側において先に進行し、その後に周縁に向けて拡大していく。従って、はんだ３６が溶融するときに生じるボイドＸも、下面電極１０ｂの中心側から周縁へと徐々に移動していき、はんだ３６の外部へ放出されやすい。これにより、半導体装置１０と下側放熱板２６との間を接合するはんだ層３６の内部にボイドＸが形成されることが抑制される。
【００２３】
図８を参照して、半導体装置１０の変形例について説明する。この変形例では、下面電極１１０ｂの構成が変更されており、特に、第１金属層１２０のパターニング形状が変更されている。図８に示すように、下面電極１１０ｂの表面は、第１金属層１２０が設けられた第１範囲Ｒ１と、第２金属層１１８が露出する第２範囲Ｒ２を有する。第１範囲Ｒ１（即ち、第１金属層１２０）は、下面電極１１０ｂの表面の中心に位置する円状部分Ｃ１と、円状部分Ｃ１を囲むように配置された多重の環状部分Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５を有する。これらの円状部分Ｃ１及び環状部分Ｃ２−Ｃ５は、下面電極１１０ｂの表面の中心に対して、同心状に配置されている。そして、第２範囲Ｒ２（即ち、第２金属層１１８）は、円状部分Ｃ１及び環状部分Ｃ２−Ｃ５の間に位置する範囲（即ち、第１範囲Ｒ１を除く他の範囲）であり、第１範囲Ｒ１と第２範囲Ｒ２は交互に配置されている。
【００２４】
第１範囲Ｒ１を構成する複数の環状部分Ｃ２−Ｃ５は、下面電極１１０ｂの中心側に位置するものほどその幅が広く、周縁側に位置するものほどその幅が狭い。一方、それらの間に位置する第２範囲Ｒ２の幅は、下面電極１１０ｂの中心側に位置するものほど狭く、周縁側に位置するものほど広くなる。これにより、第２範囲Ｒ２の面積に対する第１範囲Ｒ１の面積の比率は、下面電極１１０ｂの表面の中心から下面電極１１０ｂの表面の外周縁に向かうにつれて低下する。
【００２５】
また、半導体装置１０の下面電極１０ｂにおける第１金属層２０及び第２金属層１８の積層形態は、特に限定されない。下面電極１０ｂの表面において、第１金属層２０及び第２金属層１８が露出していればよい。図３に例示するように、第２金属層１８に第１金属層２０が部分的に埋め込まれていてもよいし、第２金属層１８から、第１金属層２０が部分的に突出していてもよい。
【００２６】
以上、いくつかの具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものである。
【符号の説明】
【００２７】
１０：半導体装置
１０ａ：上面電極
１０ｂ、１１０ｂ：下面電極
１２：半導体基板
１４：第４金属層
１６：第３金属層
１８、１１８：第２金属層
２０、１２０：第１金属層
２２：導体スペーサ
２４：上側放熱板
２６：下側放熱板
２８：封止体
３２、３４、３６：はんだ層
３８：ニッケル系金属層
４０：積層体
５０：半導体モジュール
Ｋ：金属間化合物
Ｒ１：第１範囲
Ｒ２：第２範囲
Ｘ：ボイド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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