(57)【要約】【課題】半導体チップの主面に重ねて半田接合される相手側の導電体接合面に応力緩和機能を付与し、半導体チップとの間の通電性，放熱性を損なうことなしに、ヒートサイクルによる応力を緩和して半田接合部の耐久性，信頼性の向上を図るようにする。【解決手段】半導体チップ３の主面に接合面を重ね合わせて導電体（絶縁基板の導体パターン２ａ，接続リード片４）が半田接合された半導体装置において、半導体チップの主面に対向する導電体接合面の一部領域に応力緩和用の樹脂層７を被覆形成し、かつ該樹脂層の表面を含めて導電体の接合面に金属メッキ層８を成層した上で半導体チップとの間を半田層９で接合するものとし、ここで樹脂層８は半導体チップと対峙する接合面の中央面域を除く外周面域に被覆形成する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップの主面に接合面を重ね合わせて導電体が半田接合された半導体装置において、
半導体チップの主面に対向する導電体接合面の一部領域に応力緩和用の樹脂層を被覆形成し、かつ該樹脂層の表面を含めて導電体の接合面に金属メッキ層を成層した上で半導体チップに半田接合したことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置において、樹脂層を導電体接合面の中央面域を除く外周面域に被覆形成したことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項２記載の半導体装置において、導電体の接合面外周周域に面取りを施した上で、その面取り面に樹脂層を被覆形成したことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項２または３のいずれかの項に記載の半導体装置において、導電体の周縁に向けて樹脂層の層厚が厚くなるよう設定したことを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかの項に記載の半導体装置において、樹脂層が導電性樹脂であることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかの項に記載の半導体装置において、導電体の半田接合面域を取り囲んで、その輪郭の外周に沿って樹脂層の露出面を形成したことを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項６記載の半導体装置において、樹脂層に半導体チップの位置決め用突起を形成したことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波用のスイッチングＩＣ，パワーデバイスなどに適用する半導体装置に関し、詳しくは半導体チップの主面に半田接合される相手側導電体の実装構造に係わる。
【背景技術】
【０００２】
まず、本発明の実施対象となる半導体装置の例として、パッケージ内に複数の半導体チップ（例えばＩＧＢＴ）を組み込んだパワースイッチングデバイスの組立構造を図４に示す。図において、１はヒートシンクとして放熱フィン１ａを備えた銅ベース、２は銅ベース１に搭載した絶縁基板（例えば、Direct Copper Bonding基板）、２ａは絶縁基板２の表裏両面に形成した導体パターン（銅箔）、３は絶縁基板２にマウントして導体パターン２ａに接合した半導体チップ、４は半導体チップ３の表面電極（主面）に接合した接続リード片（導体片）、５は外囲ケース、６は外囲ケース５を貫通して前記リード片４から外部に引き出した外部導出リードであり、絶縁基板２の導体パターン２ａおよび接続リード片４は半導体チップ３の主面に重ね合わせてその電極との間が半田接合されている。
一方、最近では環境問題から半田の鉛フリー化対策が進められており、Ｐｂ系の半田材に替えてＳｎ−Ａｇ系などのＳｎリッチな半田材が採用されるような傾向にある。
【０００３】
ところで、Ｓｎリッチな半田は、Ｐｂ系の半田と比べて接合性，耐久性の面で次記のような問題点がある。すなわち、
（１）接合相手材，もしくは表面メッキ材との相互拡散により金属間化合物が生じて半田接合層の脆化が進行し易い。
（２）半田材の延性がＰｂ系半田材に比べて低く、ヒートサイクルにより繰り返し応力が加わると金属疲労の進行が早まって半田接合部にクラック，破断が発生する。
特に、パワーデバイスでは、実使用中に半田接合部に前記のようなクラック，破断が生じると、半導体デバイスとしての通電，放熱機能が低下して致命的なダメージとなる。
なお、半田接合部に生じる疲労クラック，破断の発生メカニズムは次記のように進行することが実験でも確認されている。すなわち、
（１）半田接合時に、主として母材からのアウトガスにより半田層内に微小なボイドが生成し、これが半田層の上側界面付近に移動して小さな気泡核を形成する。
（２）半田接合後の通電状態でヒートサイクルなどにより繰り返し応力が加わると、先記した脆性傾向の高い金属間化合物層付近に応力が集中してその直下の延性層が過大に歪み、半田接合の当初からこの付近に存在していた気泡核がさらに成長して大きなボイドを形成するようになる。
（３）この状態になると、ボイドとボイドとの間の肉薄な層部分に応力が集中して半田接合層内に微細な疲労クラックが発生し、これが合体して巨視的なクラックに成長し、ついには半田接合部の破断発生が確認されるようになる。
【０００４】
したがって、半田の延性層内に疲労，クラックが発生するのを防いで半田接合部の耐久性，デバイスの信頼性向上を図るには、応力が集中し易い前記の金属間化合物層に加わる応力を如何にして低減させるかが問題解決の重要な課題となる。
一方、フリップチップ接続方式の半導体装置に関して、半導体チップのウエハ表面に形成したバンプ電極の直下面域に応力緩和層（樹脂層）を被覆形成した上で、この応力緩和層の表面に電極パッドとの配線，表面保護膜を施し、この半導体チップを回路基板に実装した半導体装置の通電時に、バンプに加わる熱的応力を前記樹脂層で吸収緩和するようにした構成のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−９３９４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、前記特許文献１に開示されている半導体装置は、フリップチップ素子を対象としたものであって、応力緩和層を半導体チップのウエハ上面に形成し、その上にバンプ電極を配して半導体チップの電極パッドとの間を配線するようにしている。
しかしながら、図４に示した半導体装置のように、半導体チップ３の主面に絶縁基板２の導体パターン２ａおよび接続リード片４の導電体接合面を重ね合わせて直接半田接合した構造の半導体装置には、特許文献１の構成がそのまま適用できず、また半導体チップの製造工程も複雑化してコスト高となる。
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、半導体チップの主面に重ね合わせて半田接合される相手の導電体側に応力緩和機能を付与し、半導体チップとの通電性，放熱性を損なうことなく高い半田接合強度を確保して耐久性，信頼性の向上化を図った半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明によれば、半導体チップの主面に接合面を重ね合わせて導電体が半田接合された半導体装置において、
半導体チップの主面に対向する導電体接合面の一部領域に応力緩和用の樹脂層を被覆形成し、かつ該樹脂層の表面を含めて導電体の接合面に金属メッキ層を成層した上で半導体チップに半田接合するものとし（請求項１）、具体的には次記のような態様で構成する。
（１）前記の樹脂層を、半導体チップと対峙する接合面の中央面域を除く外周面域に被覆形成する（請求項２）。
（２）前項（１）において、導電体の接合面外周域に面取りを施した上で、その面取り面に樹脂層を被覆形成する（請求項３）。
（３）前記の絶縁層について、導電体の周縁に向けて樹脂層の層厚が厚くなるよう設定する（請求項４）。
（４）前記の樹脂層を、金属フィラーを含む導電性樹脂で形成する（請求項５）。
（５）導電体の半田接合面域を取り囲んで、その輪郭の外周に沿って樹脂層の露出面を形成する（請求項６）。
（６）樹脂層に半導体チップの位置決め用突起を形成する（請求項７）。
【発明の効果】
【０００７】
上記の構成によれば、半導体チップの接続形態に制約されることなく、半導体チップの主面に導電体（図４における絶縁基板２の導体パターン，あるいは接続リード片４）の接合面を重ね合わせて直接半田接合した構造の半導体装置で、実使用時のヒートサイクルにより半田接合部に加わる応力は導電体側の接合面一部領域に被覆形成した低剛性の樹脂層に吸収緩和され、これにより半田層の疲労クラック，破断の発生を効果的に防ぐことができる。しかも、樹脂層を含めて導電体の接合面の表面にメッキ層を施しておくことで、半導体チップとの間の通電性，放熱性を損なうことなく、高い半田接合性を確保できる。
また、この場合に発熱源となる半導体チップは主面の中央部が高温で、外周縁にいくほど低温となる傾向を示し、またヒートサイクルにより半田接合部に加わる応力は接合部の周縁エッジ部分に集中することが知られている。かかる点、樹脂層を導電体の接合面中央部分を除く外周域に形成し、さらにこの樹脂層については金属フィラーを含む導電性樹脂を採用することで、高い通電性，放熱性を確保しつつ半田接合部に加わる応力を効果的に緩和でき、さらに導電体の周域に面取りを施した上で、ここに被覆する樹脂層についても導電体の周縁に向けて樹脂層の層厚が厚くなるよう設定することで、応力緩和効果がより一層高まる。
【０００８】
また、半導体チップをマウントする側の導電体（図４における絶縁基板２の導電パターン２ａ）について、半導体チップとの半田接合面域を取り囲んで、その輪郭の外周に沿って樹脂層の露出面を形成してこの部分のメッキ層を欠如しておくことにより、半田接合時には前記樹脂層の露出部分がバリアとなって半田が所定の接合面域を超えて不要に外側へ拡大するのを防ぐことができ、さらにこの樹脂層の露出部分に半導体チップの位置決め用突起を形成しておくことにより、半導体装置の組立工程で半導体チップを導電体の接合面に正しく位置合わせすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図４の半導体装置に適用した本発明の実施の形態を図１〜図３に示す実施例に基づいて説明する。なお、実施例の図中で図４に対応する同一部材には同じ符号を付してその説明は省略する。
【実施例１】
【００１０】
図１（ａ），（ｂ）は本発明の請求項１〜５に対応する実施例を示すものである。この実施例においては、半導体チップ１の主面に面接合される導電体としての絶縁基板２（図４参照）の導体パターン（銅箔）２ａ，および接続リード片（銅片）４の接合面には、応力緩和機能を付与する樹脂層７が被覆形成され、さらに該樹脂層７を含めて導電体の接合面にメッキ層８が成層されており、このメッキ層８を介して半導体チップ２の主面との間が半田層９で接合されている。
ここで、樹脂層７はＡｇ，Ａｇ−Ｐｄ，Ａｕ，Ｎｉ，Ｃｕなどの金属フィラーを含有する低剛性の導電性樹脂材が用いられており、接続リード片４の接合面に対しては、その周縁部分を面取りした上で、図1（ｂ）で表すように接合面の中央部域４ａを除いた外周面域に樹脂層７が被覆形成され、かつ樹脂層７の層厚はリード片の周縁に向けて厚くなるように設定している。なお、絶縁基板の導体パターン２ａについても、その接合面には図１ａと同様に樹脂層７がパターン形成されている。
【００１１】
この樹脂層７は所望の厚みに応じて次記の方法を選択して形成することができる。すなわち、厚みが例えば数μｍ〜数１０μｍ程度の樹脂層を形成するには、接続リード片４の接合面に樹脂層の形成パターンに応じてマスクした上で、熱硬化性樹脂，ＵＶ硬化性樹脂（例えばポリイミド）を膜状に塗布し、加熱，紫外線照射により硬化させて形成する。また、厚みが数１００μｍの樹脂層７を形成する場合には金型を使用し、熱硬化性樹脂を金型に注型した上で加熱硬化して形成する。
また、メッキ層８は膜厚３〜５μｍ程度のＮｉあるいはＮｉ−Ｐ膜であり、半田層９にはＳｎ−Ａｇ，Ｓｎ−Ｃｕ，Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ，Ｓｎ−Ｚｎ系の鉛フリーな半田材が用いられている。なお、前記メッキ層８の表面に０．０５〜０．1μｍのＡｕ膜を成層すれば、下地層の酸化を防いで半田との良好な濡れ性を確保することができる。
【００１２】
そして、前記のように接合面に樹脂層７，メッキ層８を成層した導電体（導体パターン２ａ，接続リード片４）を図示のように半導体チップ２の主面に重ね合わせて半田接合した状態では、接合界面に生成されるＮｉ／Ｓｎ，Ｃｕ／Ｓｎ，Ｃｕ／Ｓｎ／Ｎｉなどの合金層（金属間化合物）の直下に剛性の低い樹脂層７が存在することから、その後の通電によるヒートサイクルに伴い脆性傾向の高い合金層付近に生じた応力が樹脂層７によって吸収緩和される。しかも、樹脂層７は応力が集中し易い導電体の周縁部分に選択的に形成されており、かつこの樹脂層７を含めて導電体の接合面全域がメッキ層８を介して半田接合されているので、半導体チップ３との間に高い通電性，放熱性と半田接合強度を確保しつつ、応力緩和機能を効果的に発揮させることができ、これにより半田接合部の疲労クラック，破断の発生を抑えて耐久性，信頼性が向上する。
【実施例２】
【００１３】
次に、本発明の請求項６に係わる実施例を図２で説明する。この実施例においては、半導体チップ３の主面に半田接合される導電体としての絶縁基板の導体パターン２ａおよび接続リード片４に対して、その接合面には実施例１と同様に樹脂層７とメッキ層８を形成するとともに、特に半導体チップ２をマウントする導体パターン２ａについては、半導体チップ２との半田接合面域を取り囲むように、その輪郭の外周に沿ってこの部分のメッキ層８を欠如して樹脂層７が表面に露出するよう露出面７ａを形成している。
これにより、半田接合工程では前記の樹脂層露出面７ａがバリアとなって溶融半田の濡れが所定の半田接合面域から外側に広がるのを防ぎ、半田層９の広がりが図示のように露出面７ａの内側に納まって半導体チップ２が所定位置に半田接合されるようになる。
【実施例３】
【００１４】
図３は本発明の請求項７に対応する実施例を示すものである。この実施例においては、半導体チップ２を半田マウントする絶縁基板の導体パターン２ａについて、該導体パターンの半田接合面域の周縁部分に被覆形成した樹脂層７からメッキ層８を貫通して表面側に突き出す突起７ｂおよび７ｃが形成されている。ここで、突起７ｂは半導体チップ２の外周に沿った複数箇所に分散し、この突起７ｂの内側に半導体チップが納まるように位置に形成されている。一方、突起７ｃは半導体チップ２の半田接合面を支持するもので、前記突起７ｂよりも高さを低くしてその内側数箇所に分散して形成されている。なお、突起７ｃは突起７ｂに段差を設けて一体に形成してもよい。
また、接続リード片４側に形成した樹脂層７についても、前記突起７ｃと同様な突起７ｄを形成しておくことにより、この突起７ｄが支脚の役目を果たして半田接合の際に接続リード片７の半田接合面が傾くのを防ぐことができる。
【００１５】
このように導体パターン２ａに形成した絶縁層７に位置決め用の突起７ｂを設けておくことにより、半導体装置の組立工程で絶縁基板（図４参照）に半導体チップ２を搭載して半田接合するする際に、前記突起７ｂを位置決めの基準として半導体チップを所定の半田接合位置定位置に正しく位置合わせすることができる。また、絶縁基板２に載置する半導体チップ２を基板側に形成した突起７ｃで支持することにより、半導体チップ２の半田接合面の傾きを抑制することができ、これによりチップ実装工程の作業性改善，および製造のばらつきを抑えて品質向上が図れる。
なお、前記の突起７ｂは、あらかじめ導体パターン２ａの表面に形成した樹脂層７の上にメッキ層８を選択的に成膜した上で、メッキ層の欠如部に熱硬化性樹脂を充填，硬化させ、最後にメッキ層の一部をエッチングにより除去して突起７ｂ，７ｃを形成することができる。また、突起７ｄについても同様な方法で形成できる。
【００１６】
また、前記突起７ｃ，７ｄを形成することにより、半導体チップ２と接合相手部材との半田接合面の傾きを抑制しつつ、導体パターン２ａ，接続リード片４と半導体チップ３との間の半田層９を所望の厚みに保持して品質の安定化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施例１に係わる半導体装置の要部構成図で、（ａ）は半導体チップと導電体との半田接合部の詳細構造を表す断面図、（ｂ）は（ａ）における接続リード片の接合面に被覆形成した樹脂層を模式的に表したパターン図
【図２】本発明の実施例２に係わる半田接合部の構造断面図
【図３】本発明の実施例３に係わる半田接合部の構造断面図
【図４】本発明の実施対象となる半導体装置全体の組立構造図
【符号の説明】
【００１８】
１    銅ベース
２    絶縁基板
２ａ  導体パターン
３    半導体チップ
４    接続リード片
７    樹脂層
８    メッキ層
９    半田層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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