(57)【要約】      （修正有）【課題】工業的に簡便な手法によってＺｎ合金系ハンダを利用できるようにするとともに、大きな温度変化を繰り返し経験しても電気的機械的に接合の特性が維持できる構造を提供する。【解決手段】半導体チップ４上の金属電極５ｄと金属板１ｄとをＺｎ−Ａｌ系合金製のハンダ板２ｄで接合するにあたり、使用時に応力が集中する半導体チップの角部を避けるため、角を丸めた四角形領域のみ、超音波接合法にて前記ハンダ板の表面に存在する金属酸化皮膜３ｄを破砕して接合させる半導体チップ接合工程と、前記ハンダ板の他方の主面を金属板上に対向させて同じく超音波接合法にて然るべき領域の前記金属酸化皮膜を破砕して接合させる金属板接合工程と、加熱して前記Ｚｎ−Ａｌ系合金を溶融させ、前記第１の接合領域と前記第２の接合領域とに強固な合金領域を形成する合金化工程とを実施する。これにより、側面は、酸化皮膜の存在によって応力に強い曲面形状となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属電極が形成された半導体チップと金属板とが、Ｚｎ−Ａｌ系合金からなるハンダ薄板を介して接合された半導体装置であって、
前記ハンダ薄板は、角を丸めた四角形をなす第１の接合領域にて前記金属電極と接合するとともに、前記第１の接合領域に対向する主面上の第２の接合領域にて前記金属板と接合し、前記第１の接合領域と前記第２の接合領域の表面が酸化皮膜で被覆されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記ハンダ薄板は、その平面形状が円形もしくは角を丸めた四角形をなしていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
半導体チップの一主面に形成された第１の金属電極及び第２の金属電極と、第１の金属板及び第２の金属板とが接合された半導体装置であって、
前記第１の電極は前記第１の金属板とＺｎ−Ａｌ系合金からなる第１のハンダ薄板を介して接合され、前記第１のハンダ薄板のうち前記接合に寄与していない側面が酸化皮膜で被覆されており、
前記第２の電極は前記第２の金属板とＺｎ−Ａｌ系合金からなる第２のハンダ薄板を介して接合され、前記第２のハンダ薄板のうち前記接合に寄与していない側面が酸化皮膜で被覆されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
前記第２の金属電極は一部に棒状の領域を有し、前記第１の金属電極は前記棒状領域を囲うように配置されていて、前記第１のハンダ薄板は前記第２の金属電極に属する前記棒状領域を跨いで存在し、前記棒状領域を含め前記第２の金属電極と前記第１のハンダ薄板との間には酸化皮膜が介在している、ことを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
【請求項５】
金属電極が形成された半導体チップと金属板とを、Ｚｎ−Ａｌ系合金からなるハンダ薄板を介して接合する半導体装置の製造方法であって、
前記半導体チップの前記金属電極と前記ハンダ薄板の第１の面とを超音波接合して第１の接合領域を形成する半導体チップ接合工程と、
前記金属板と前記ハンダ薄板の前記第１の面に対向する第２の面とを超音波接合して第２の接合領域を形成する金属板接合工程と、
少なくとも前記ハンダ薄板を加熱して溶融させて、前記第１の接合領域と前記第２の接合領域とに合金領域を形成する合金化工程とを、含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｚｎ−Ａｌ酸化膜を使用した選択的はんだ接合構造を含む半導体装置及びその製造方法に関し、特に、高耐熱パワー半導体チップの電極と配線とを接合した半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、縦型半導体チップの電極に外部配線を接続するために、ハンダ合金が使われている。すなわち、金属製の基板の上に板状のハンダを乗せ、その上に、裏面に１つの電極をもつ縦型半導体チップを乗せて加熱し、ハンダを溶かして冷却して固化させ、接合を成立させる。これにより、縦型半導体チップはハンダ層を介して基板上に接合される。
【０００３】
Ｓｉ半導体素子の場合、Ｓｉの物性からその動作の安全性を保障できる上限温度はおよそ１５０℃とされており、これに従って接続に使われるハンダ合金はこのような上限温度でも溶けず、所定の範囲の温度変化を繰り返し経験しても電気的、機械的特性に問題の生じない材料や厚みやその他諸条件が選択され使われてきた。その結果として従来、融点が前記した温度よりも１００℃以上高いものが選択されている。
【０００４】
ところで、ＳｉＣなどワイドバンドギャップ半導体で作られた半導体素子は２５０℃を超える温度でも動作可能であるが、この特性を活かすためには実装に用いるハンダ材の特性もこれに応じたものでなければならない。しかしながら、従来よりも大きな温度差を繰り返し経験しても、長期にわたって信頼性を確保できる材料は限られる。一例としてＡｕ系合金ハンダがあるが高価である。他の例としてＺｎ系合金ハンダがあるが、大気中ではこの合金の表面には金属酸化物による皮膜（以下、「酸化皮膜」という）が形成され、これが接合形成の妨げになる。
【０００５】
例えば、特許文献２においては、このような問題に対する対処法として、Ｚｎ−Ｂｉ系合金ハンダを接合材として用いるにあたり、酸化皮膜の形成前に保護被覆膜を表面に与えて表面酸化の進行を抑制する方法を開示している。さらにこの保護被覆膜は、ハンダの溶融工程においては速やかに消失し、良好な接合を与える。
【０００６】
また、特許文献３においては、半導体チップと金属基板の間に酸化皮膜に被覆されたＺｎ−Ａｌハンダ板を挟み、この構造に荷重をかけながら加熱することで、溶融したハンダの内圧によって酸化皮膜を破ることによって、溶融ハンダを半導体チップ裏面の金属電極ならびに金属基板と濡れさせて、接合を形成する方法を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−２５４０４８号公報
【特許文献２】特開２０１４−１９５８３１号公報
【特許文献３】特開２０１３−０３０６０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献２の手法においては、酸化防止用の被覆膜として特殊な物質を要し、さらにプリフォームした板ハンダの再整形や搬送時の傷などにより被覆膜によって保護されない部分が発生し性能が劣化する可能性に注意しなければならない。
【０００９】
また、特許文献３の方法では、接合形成時に相応の荷重をかける特殊な装置を必要とする。
【００１０】
本発明は、かかる課題を解決するためになされたもので、Ｚｎ系合金ハンダを使いつつ、特殊な被覆膜や荷重印加装置を用いず、工業的に簡便な手法によってＺｎ系合金ハンダを利用できるようにするとともに、これまで接合に対する障害とみなされてきた酸化皮膜の存在を積極的に活用し、大きな温度変化を繰り返し経験しても電気的機械的に接合の特性が維持できる構造を有する半導体装置とその製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による半導体装置には、金属電極が形成された半導体チップと外部配線である金属板とが、Ｚｎ−Ａｌ系合金からなるハンダ薄板を介して接合され、前記ハンダ薄板は、角を丸めた四角形をなす第１の接合領域にて前記金属電極と接合するとともに、前記第１の接合領域に対向する主面上の第２の接合領域にて前記金属板と接合し、前記第１の接合領域と前記第２の接合領域の表面が酸化皮膜で被覆されていることを特徴とするものがある。これにより、温度変化によって応力が最も集中する、半導体チップの角部に隣接するハンダ薄板への応力を緩和し、接続信頼性が向上する。
【００１２】
また、上記した発明において、前記ハンダ薄板は、その平面形状が円形もしくは角を丸めた四角形をなすように構成してもよい。これによって、ハンダ薄板の形状を予め上記半導体チップの角部を避けた形状にしておくため、そもそも半導体チップの角部へのハンダ薄板の接触が起こらない。
【００１３】
また、本発明による半導体装置は、半導体チップの一主面に形成された第１の金属電極（たとえば主電極）及び第２の金属電極（たとえば制御電極）と、外部配線である第１の金属板（ここでは主電極用）及び第２の金属板（ここでは制御電極用）とが接合された構成であって、前記第１の電極（主電極）は前記第１の金属板（主電極用配線）と、前記第２の電極（制御電極）は前記第２の金属板（制御電極用配線）と、それぞれＺｎ−Ａｌ系合金からなるハンダ薄板を介して接合され、各ハンダ薄板のうち接合に寄与していない側面が酸化皮膜で被覆されていることを特徴とする構成がある。これによって、主電極と制御電極に対して、酸化皮膜によって両電極が短絡する可能性を回避でき、きわめて隣接して接合領域を設けることができるため、主電極の面積に最大限、接合領域を形成することができるとともに、主電極用と制御電極用のハンダ薄板が近接しても短絡することがなくなる。
【００１４】
また、上記の構成においてさらに、一般のトランジスタチップのように第２の金属電極（制御電極）が一部に棒状の領域をもち、第１の金属電極（主電極）がその棒状領域を囲うように配置されている場合に、主電極用の第１のハンダ薄板は第２の金属電極（制御電極）に属する棒状領域の上を跨いで存在し、それでも棒状領域を含めた第２の金属電極（制御電極）と主電極に接続する第１のハンダ薄板との間には酸化皮膜が介在している、構成もある。これによって主電極と制御電極のそれぞれに連絡するハンダ領域の面積が最大化でき、半導体チップの主電流を流れる電流に対して実装構造の電気伝導度が向上する。また、酸化皮膜があることから、たとえ半導体チップ上の制御電極につながるランナーが保護膜なしで存在していても、その上に跨って主電極用のハンダ薄板を形成でき、さらに半導体実装構造の実装抵抗低減に貢献する。
【００１５】
さらに、本発明による金属電極が形成された半導体チップと金属板とを、Ｚｎ−Ａｌ系合金からなるハンダ薄板を介して接合する半導体装置の製造方法は、前記半導体チップの前記金属電極と前記ハンダ薄板の第１の面とを超音波接合して第１の接合領域を形成する半導体チップ接合工程と、前記金属板と前記ハンダ薄板の前記第１の面に対向する第２の面とを超音波接合して第２の接合領域を形成する金属板接合工程と、少なくとも前記ハンダ薄板を加熱して溶融させて、前記第１の接合領域と前記第２の接合領域とに合金領域を形成する合金化工程と、含むことを特徴とする。これにより、接合したい領域の酸化皮膜を破砕して予め金属同士を接合させておくため、あとは加熱のみによって金属同士が接合する。また、接合させたい領域だけ酸化皮膜を破砕して先に金属同士を接合させておくため、所望の位置に、所望の形状で強固な接合領域を形成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施形態による半導体チップの実装構造を説明する断面図である。
【図２】図１の構造の平面透視図である。
【図３】図１の構造の製造プロセスを説明する断面図である。
【図４】図１の構造の製造プロセスを説明する断面図である。
【図５】図１の構造の製造プロセスを説明する断面図である。
【図６】図１の構造の製造プロセスを説明する断面図である。
【図７】図１の構造の製造プロセスの変形例を説明する断面図である。
【図８】本発明の第１の実施形態による変形例の構造の平面透視図である。
【図９】図８の構造の断面図である。
【図１０】本発明の第１の実施形態の他の変形例による構造の平面透視図である。
【図１１】本発明の第１の実施形態のさらに他の変形例による構造の平面透視図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態による半導体チップの実装構造を説明する断面図である。
【図１３】図１２の構造の製造プロセスを説明する断面図である。
【図１４】図１２の構造の製造プロセスを説明する断面図である。
【図１５】図１２の構造の製造プロセスを説明する断面図である。
【図１６】図１２の構造の製造プロセスを説明する断面図である。
【図１７】本発明の第３の実施形態を説明する平面透視図である。
【図１８】図１７の構造の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の第１の実施形態による半導体装置について、図１乃至図１１を使って説明する。
【００１８】
図１は、本発明の第１の実施形態による半導体装置を示す構造断面図である。図中、１ｄは金属板で、少なくとも最表面はＡｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉなどが可能である。すなわち、１ｄは図のように分厚い金属板でもよいし、図示しない別の金属板状上に形成された薄膜でもよい。２ｄはハンダ薄板でＡｌ−Ｚｎ系の合金からなる。３ｄはハンダを構成する金属が自然酸化して出来た酸化皮膜で、ハンダ薄板２ｄが大気と触れる部分にすべて存在する。４は半導体チップ、５ｄは半導体チップ４の裏面電極である。裏面電極５ｄはハンダ薄板２ｄを介して金属板１ｄに電気的かつ機械的に接続されている。また図中、半導体チップ４の角部においては、ハンダ薄板２ｄとの間には空隙６が存在する。
【００１９】
図２は、本発明の第１の実施形態による半導体装置であって、図１の構造を上から見た平面図である。なお、図２の線分Ａ−Ａを含み、紙面に垂直な面で切った断面図の端部が図１である。すなわち、図１の左側に示した半導体チップ４の端部は角部に相当する。本構造において、半導体チップ４の四隅にはハンダ薄板２ｄと裏面電極６ｄとが空隙６によって隔たった領域が存在する。図２では、裏面電極５ｄとハンダ薄板２ｄが接合している領域と空隙６との境界６０を一点鎖線で模式的に示した。このように接合境界６０が半導体チップの角部付近にて接合境界が大きな曲率半径をもっていると、温度変化によってこの界面に生じる応力は緩和され、ハンダ薄板にクラックが入る確率を低める。
【００２０】
次に、このような構造を成立させるための製造方法を、図３乃至図７を使って説明する。まず、図３のように半導体チップ４の裏面を上にして倒立させ、上になった裏面電極５ｄの表面にハンダ薄板２０ｄを配置する。ところで、Ａｌ−Ｚｎ系合金のこのハンダ薄板２０ｄの表面には、大気に触れた時点で酸化皮膜３ｄが存在し、このまま融点以上に加熱しても酸化皮膜が破れず、裏面金属５ｄがＡｌ−Ｚｎ系合金と濡れる金属であっても両者は接合しない。そこで、この状態で超音波ボンダーを使ってハンダ薄板２０ｄを裏面金属５ｄに超音波接合しておく（半導体チップ接合工程）。図４はこのプロセスを示したもので、図中、符号１１は超音波を印加するボンディング治具、８ｄは超音波印加によって局所的に酸化皮膜３ｄが破砕され、金属同士が超音波接合によって一部合金化した領域である。なお、この領域にあった酸化皮膜３ｄは粉砕されてこの領域付近に存在するが、電気伝導や接合強度には影響しない。
【００２１】
次に、図５に示すように、この半導体チップ４とハンダ薄板２０ｄが結合した構造体を、もとの正立の姿勢に戻し、今度はハンダ薄板２０ｄが金属板１ｄと対面するように配置する。この時点で半導体チップ４とハンダ薄板２０ｄは結合しているので位置ズレの心配はない。そして、図６のように両者を超音波接合する（金属板接合工程）。図中、符号１２は半導体チップ４を固定して超音波を印加するボンディング治具、９ｄはこの第２回目の超音波印加によって局所的に酸化皮膜３ｄが破れ、金属同士が合金化した領域である。この工程で使用する装置は、超音波接合によるフリップチップボンディングする際と同様のものである。なお、この領域にあった酸化皮膜３ｄは粉砕されてこの領域付近に存在するが、電気伝導や接合強度には影響しない。
【００２２】
次に、上記のとおり半導体チップ４とハンダ薄板２０ｄと金属板１ｄとを超音波接合した構造体をＡｌ−Ｚｎ系合金の融点以上に加熱してやると、ハンダ薄板２０ｄの内部は液状になり、超音波接合した領域８ｄ、９ｄ（図６参照）は、金属板１ｄや裏面金属５ｄの一部と合金化反応が進み、固化した際には強固な接合が成立している（合金化工程）。そして、あらかじめ超音波接合した領域以外は酸化皮膜３ｄの存在により図１に示すように、周囲に進展することはない。このように、本発明によれば、特別な物質や加圧装置を用いずともＡｌ−Ｚｎ系合金を使って半導体チップを金属板に接合することができる。
【００２３】
なお、上記のプロセスではハンダ薄板２０ｄをまず半導体チップ４の裏面に超音波接合したが、図７に示すようにハンダ薄板２０ｄを先に金属板１ｄに超音波接合してから、図６のプロセスを実施しても当然構わないし、最初から図６のように部材を重ね合わせて、一括して超音波接合しても構わない。
【００２４】
また、図１中の空隙６は、図４で示した第１回目の超音波接合工程において、図２に１点鎖線で示した境界の内側だけ超音波接合するようにしておくことで形成することができる。
【００２５】
また、図２ではハンダ薄板２ｄのサイズを半導体チップ４とほぼ同じに示したが、例えば図８のようにハンダ薄板２ｄが半導体チップ４より大きくても構わない。その場合、図中の線分Ａ−Ａを含んで紙面に垂直な断面構造は、前述した酸化皮膜３ｄの存在のため、図９のような形状になる。
【００２６】
また、空隙６を形成したい領域に、そもそもハンダ薄板２ｄが近接しないよう、図１０に示すようにハンダ薄板２ｄの形状を円形、もしくは図１１に示すように角部を丸めた四角形にしておくこともできる。
【００２７】
次に、本発明の第２の実施形態による半導体装置ついて、図１２乃至図１６を使って説明する。
【００２８】
図１２は、半導体チップ４の表面に存在する主電極５ｓと制御電極５ｇが、それぞれに対応するハンダ薄板２ｓ、２ｇを介して、絶縁板７の表面に張り付けられ配線の役割を果たす金属板１ｓ、１ｇに接続している構造である。このような構造を、組立工程中に一度溶融してから固化する接合材を使う場合、合金が溶融した時点で図中のハンダ薄板２ｓと２ｇとが短絡する可能性がある。そのため一般には、ハンダ薄板２ｓと２ｇの距離を、ハンダ厚みより十分離しておく方策が取られていた。しかし、実際の半導体チップ４の表面で主電極５ｓと制御電極５ｇを隔てるパッシベーション膜（図１３乃至図１６の符号１０参照）の幅はせいぜい数十μｍであるのに対し。ハンダ厚みは５０μｍ以上あるので、この場合、ハンダ薄板２ｓと２ｇの距離は最低でも３００μｍ以上は隔てることになる。しかし、そのような施策は半導体チップの電気特性を損なう方向に働く。
【００２９】
一方、Ａｌ−Ｚｎ系合金からなるハンダの場合、図１２に示すようにそれぞれのハンダ薄板の表面には強固な酸化皮膜３ｓ、３ｇが形成され、ハンダが溶融しても容易には破れない。この性質を利用し、本発明では半導体チップ４上の金属と配線金属とは接続しつつ、上記の短絡は起きにくいため、両者を近接させて配置することが可能で、半導体チップの電気特性を十分に生かした実装構造を実現できる。
【００３０】
次に、図１２に示す半導体装置の製造方法の一例について、図１３乃至図１６を使って説明する。まず図１３のように、半導体チップ４の表面電極５ｓ、５ｇの上に、成形したハンダ薄板２０ｓ、２０ｇをそれぞれ配置し、図１４のように超音波ボンダーの治具１１にて荷重と超音波を印加し、接合箇所８ｓ、８ｇを形成する（半導体チップ接合工程）。この超音波印加によって局所的に酸化皮膜３ｓ、３ｇは粉砕され、金属同士が超音波印加による摩擦熱によって合金化する。
【００３１】
次に図１５のように上記の構造体を倒立させて絶縁板７上に形成された金属配線１ｓ、１ｇと対向するように配置し、図１６に示すように超音波ボンダーの治具１１にて荷重と超音波を印加し、接合箇所９ｓ、９ｇを形成する（金属板接合工程）。
【００３２】
次に、上記のとおり半導体チップ４と絶縁板７とをハンダ薄板２ｓ、２ｇを介して超音波接合した構造体をＡｌ−Ｚｎ系合金の融点以上に加熱してやると、ハンダ薄板の内部は液状になり、超音波接合した領域８ｓ、８ｇ、９ｓ、９ｇ（図１６参照）は合金化反応が進み、それぞれハンダ薄板２ｓ、２ｇと一体化し、固化した際には強固な接合が成立している（合金化工程）。そして、図１２に示すように酸化皮膜３ｓ、３ｇの存在により超音波接合した領域以外は流れ出ることはなく、ハンダ薄板の端部は樽型の断面形状になり、３ｓと３ｇが近接しても、短絡することはない。ちなみに、共晶系のＡｌ−Ｚｎハンダの場合、酸化皮膜はもっぱらアルミナである。このように、本発明によれば、特別な物質や加圧装置を用いずともＡｌ−Ｚｎ系合金を使って半導体チップを金属板に接合することができる。
【００３３】
また、一般の電力用トランジスタチップの表面電極パターンは図１７のようになっていて、制御信号を素早くチップ内に行き渡らせるため、制御電極５ｇに接続された細長いランナー５０ｇが、主電極５ｓの中央に延在するものがある。また、図１７中の線分Ｂ−Ｂを含み紙面に垂直な断面で、図１２に対応した実装断面構造が図１８である。ハンダ薄板２ｓの表面には酸化皮膜３ｓが存在するので、この図に示すようにハンダ薄板２ｓがランナー５０ｇを跨いでいても短絡することはないことを利用し、仮に図中のようにランナー５０ｇが絶縁膜で被覆されていなくても、主電極用ハンダ薄板２ｓを図１７中の破線のように、ランナー５０ｇを跨いで存在させ、トランジスタチップの電気的性能を最大限に引き出すことができる。もちろん、ランナー５０ｇが別途の絶縁膜によって覆われていてもこの構造は成立する。
【００３４】
以上、本発明による半導体装置及びその製造方法の実施例及びこれに基づく変形例を説明したが、本発明は必ずしもこれらに限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の主旨又は特許請求の範囲に合致すれば、他の構成でも本発明の権利範囲に属する。
【符号の説明】
【００３５】
１ｄ、１ｓ、１ｇ  金属板
２ｄ、２ｓ、２ｇ、２０ｄ、２０ｓ、２０ｇ  ハンダ薄板
３ｄ、３ｓ、３ｇ  酸化皮膜
４  半導体チップ
５ｄ  （半導体チップの）裏面金属
５ｓ  （半導体チップの）主電極
５ｇ  （半導体チップの）制御電極
５０ｇ  ランナー
６  空隙
６０  境界
７  絶縁板
８ｄ、８ｓ、８ｇ  半導体チップとハンダ薄板との間の超音波接合箇所
９ｄ、９ｓ、９ｇ  金属板あるいは絶縁板とハンダ薄板との間の超音波接合箇所
１１、１２  ボンディング治具
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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