(57)【要約】【課題】半導体装置の信頼性を向上させる。【解決手段】第１パッドを有する半導体素子と、第２パッドを有するフレーム部材と、銅および銀の少なくとも一方を含み、第１パッドおよび第２パッドを接続する接続部材と、硫黄を含まない樹脂組成物で形成されており、半導体素子、フレーム部材および接続部材を封止する封止部とを備え、第１パッドの上面の算術平均粗さが０．０２μｍ以上である半導体装置を提供する。第２パッドの上面の算術平均粗さが、第１パッドの算術平均粗さより大きくてもよい。樹脂組成物の硫黄の含有量がＮＨ４イオンの含有量より少なくてもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１パッドを有する半導体素子と、
第２パッドを有するフレーム部材と、
銅および銀の少なくとも一方を含み、前記第１パッドおよび前記第２パッドを接続する接続部材と、
硫黄を含まない樹脂組成物で形成されており、前記半導体素子、前記フレーム部材および前記接続部材を封止する封止部と
を備え、
前記第１パッドの上面の算術平均粗さが０．０２μｍ以上である半導体装置。
【請求項２】
前記第２パッドの上面の算術平均粗さが、前記第１パッドの上面の算術平均粗さより大きい
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
第１パッドを有する半導体素子と、
第２パッドを有するフレーム部材と、
銅および銀の少なくとも一方を含み、前記第１パッドおよび前記第２パッドを接続する接続部材と、
硫黄を含まない樹脂組成物で形成されており、前記半導体素子、前記フレーム部材および前記接続部材を封止する封止部と
を備え、
前記第２パッドの上面の算術平均粗さが、前記第１パッドの算術平均粗さより大きい半導体装置。
【請求項４】
前記フレーム部材の表面の算術平均粗さが、前記第１パッドの算術平均粗さよりも小さい
請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第２パッドの上面の算術平均粗さが０．０３μｍ以上である
請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記フレーム部材の表面の算術平均粗さが、０．０１μｍ以上である
請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記封止部の前記樹脂組成物が、ハロゲンを含まない
請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記封止部の前記樹脂組成物におけるＮＨ４イオンの含有量が、１２０℃且つ１００時間の抽出条件のイオンクロマト分析において、０より大きく５５ｐｐｍ以下である
請求項１から７のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記封止部の前記樹脂組成物における硫黄の含有量が、ＮＨ４イオンの含有量より少ない
請求項１から８のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記半導体素子は、前記第１パッドの周囲にポリイミドで形成されている保護部を有する
請求項１から９のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記接続部材が銅を含み、
前記第１パッドの硬度が、前記接続部材の硬度より低く、前記接続部材の硬度の１／３より高い
請求項１から１０のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１２】
前記第１パッドが銅を含む
請求項１１に記載の半導体装置。
【請求項１３】
前記半導体素子は、前記第１パッドの下方に設けられたバリアメタルを有する
請求項１から１２のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１４】
前記フレーム部材が銅で形成されている
請求項１から１３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１５】
前記第１パッドの上面における粗さ曲線の最大断面高さが０．２μｍ以上である
請求項１から１４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１６】
前記第１パッドの上面の算術平均粗さが０．１μｍ以下である
請求項１から１５のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１７】
第１パッドを有する半導体素子と、
第２パッドを有するフレーム部材と、
銅および銀の少なくとも一方を含み、前記第１パッドおよび前記第２パッドを接続する接続部材と、
ＮＨ４イオンの含有量が、１２０℃且つ１００時間の抽出条件のイオンクロマト分析において、０より大きく５５ｐｐｍ以下である樹脂組成物で形成されており、前記半導体素子、前記フレーム部材および前記接続部材を封止する封止部と
を備える半導体装置。
【請求項１８】
第１パッドを有する半導体素子と、第２パッドを有するフレーム部材とを備える半導体装置を製造する製造方法であって、
前記半導体素子の前記第１パッドの上面の算術平均粗さを０．０２μｍ以上にする段階と、
前記半導体素子の前記第１パッドと、前記フレーム部材の前記第２パッドとを、銅および銀の少なくとも一方を含む接続部材で接続する段階と、
硫黄を含まない樹脂組成物で、前記半導体素子、前記フレーム部材および前記接続部材を封止する段階と
を備える製造方法。
【請求項１９】
第１パッドを有する半導体素子と、第２パッドを有するフレーム部材とを備える半導体装置を製造する製造方法であって、
前記第２パッドの上面の算術平均粗さを、前記第１パッドの算術平均粗さより大きくする段階と、
前記半導体素子の前記第１パッドと、前記フレーム部材の前記第２パッドとを、銅および銀の少なくとも一方を含む接続部材で接続する段階と、
硫黄を含まない樹脂組成物で、前記半導体素子、前記フレーム部材および前記接続部材を封止する段階と
を備える製造方法。
【請求項２０】
第１パッドを有する半導体素子と、第２パッドを有するフレーム部材とを備える半導体装置を製造する製造方法であって、
前記半導体素子の前記第１パッドと、前記フレーム部材の前記第２パッドとを、銅および銀の少なくとも一方を含む接続部材で接続する段階と、
ＮＨ４イオンの含有量が、１２０℃且つ１００時間の抽出条件のイオンクロマト分析において、０より大きく５５ｐｐｍ以下である樹脂組成物で、前記半導体素子、前記フレーム部材および前記接続部材を封止する段階と
を備える製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体チップとリードフレームとをワイヤ等の接続部材で接続して、樹脂で封止した半導体装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１  特開２００７−３０５７７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
半導体装置は、高い信頼性を有することが好ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明のひとつの態様においては、第１パッドを有する半導体素子と、第２パッドを有するフレーム部材と、第１パッドおよび第２パッドを接続する接続部材と、半導体素子、フレーム部材および接続部材を封止する封止部とを備える半導体装置を提供する。接続部材は、銅および銀の少なくとも一方を含んでよい。封止部は、硫黄を含まない樹脂組成物で形成されてよい。第１パッドの上面の算術平均粗さが０．０２μｍ以上であってよい。
【０００５】
第２パッドの上面の算術平均粗さが、第１パッドの上面の算術平均粗さより大きくてよい。フレーム部材の表面の算術平均粗さが、第１パッドの算術平均粗さよりも小さくてよい。第２パッドの上面の算術平均粗さが０．０３μｍ以上であってよい。フレーム部材の表面の算術平均粗さが、０．０１μｍ以上であってよい。
【０００６】
封止部の樹脂組成物が、ハロゲンを含まなくてよい。封止部の樹脂組成物におけるＮＨ４イオンの含有量が、１２０℃且つ１００時間の抽出条件のイオンクロマト分析において、０より大きく５５ｐｐｍ以下であってよい。封止部の樹脂組成物における硫黄の含有量が、ＮＨ４イオンの含有量より少なくてよい。
【０００７】
半導体素子は、第１パッドの周囲にポリイミドで形成されている保護部を有してよい。接続部材が銅を含んでよい。第１パッドの硬度が、接続部材の硬度より低く、接続部材の硬度の１／３より高くてよい。
【０００８】
第１パッドが銅を含んでよい。半導体素子は、第１パッドの下方に設けられたバリアメタルを有してよい。フレーム部材が銅で形成されていてよい。
【０００９】
第１パッドの上面における粗さ曲線の最大断面高さが０．２μｍ以上であってよい。第１パッドの上面の算術平均粗さが０．１μｍ以下であってよい。
【００１０】
本発明の第２の態様においては、第１パッドを有する半導体素子と、第２パッドを有するフレーム部材とを備える半導体装置を製造する製造方法を提供する。製造方法は、半導体素子の第１パッドの上面の算術平均粗さを０．０２μｍ以上にする段階を備えてよい。製造方法は、半導体素子の第１パッドと、フレーム部材の第２パッドとを、銅および銀の少なくとも一方を含む接続部材で接続する段階を備えてよい。製造方法は、硫黄を含まない樹脂組成物で、半導体素子、フレーム部材および接続部材を封止する段階を備えてよい。
【００１１】
製造方法は、第２パッドの上面の算術平均粗さを、第１パッドの算術平均粗さより大きくする段階を備えてよい。製造方法は、ＮＨ４イオンの含有量が、１２０℃且つ１００時間の抽出条件のイオンクロマト分析において、０より大きく５５ｐｐｍ以下である樹脂組成物で、半導体素子、フレーム部材および接続部材を封止する段階を備えてよい。
【００１２】
上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。これらの特徴群のサブコンビネーションも発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体装置１００の一例を示す断面図である。
【図２】ＸＹ面における第１フレーム部材３０、半導体素子１０、第２フレーム部材５０、および、接続部材６０の配置例を示す図である。
【図３】第１パッド１２、第２パッド５２および接続部材６０を示す図である。
【図４】半導体素子１０の端部近傍を拡大した断面図である。
【図５】半導体装置１００の他の構成例を示す上面図である。
【図６】接続部材６０および固定部６２の断面の顕微鏡写真を模式的に示す図である。
【図７】接続部材６０および固定部６２の断面の顕微鏡写真を模式的に示す図である。
【図８】高温印加試験を行った場合の、接続部材６０および第１パッド１２における抵抗増加率を示す図である。
【図９】封止部８０におけるＮＨ４イオンの含有量と、封止部８０の剥離不良の発生率との関係を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る製造方法の一例を示すフローチャートである。
【図１１】製造方法の他の例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１５】
図１は、本発明の実施形態に係る半導体装置１００の一例を示す断面図である。半導体装置１００は、半導体素子１０、第１フレーム部材３０、第２フレーム部材５０、接続部材６０および封止部８０を備える。封止部８０は、樹脂で形成されており、半導体素子１０、第１フレーム部材３０、第２フレーム部材５０および接続部材６０を封止する。本例の第１フレーム部材３０および第２フレーム部材５０は、封止部８０から部分的に露出する。接続部材６０は、全体が封止部８０により封止される。半導体素子１０も、全体が封止部８０により封止されてよい。
【００１６】
本例の半導体素子１０は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、ＭＯＳＦＥＴまたはダイオード等が形成された半導体チップである。本例では、半導体素子１０の主面と平行な面において互いに直交する方向をＸ軸方向およびＹ軸方向とし、半導体素子１０の主面と直交する方向をＺ軸方向とする。半導体素子１０の主面とは、半導体素子１０の表面のうち面積が最大となる面である。本例において半導体素子１０の主面は、第１フレーム部材３０と対向する下面、および、当該下面とは反対側の上面である。なお、本明細書における上、下等の方向は、相対的な方向を指しており、重力方向の上、下方向、または、半導体装置１００を実装したときの上、下方向とは必ずしも一致しない。
【００１７】
半導体素子１０は、第１フレーム部材３０の上面に、はんだ等の素子固定部４０で固定される。第１フレーム部材３０は、銅またはその他の金属等の導電材料で形成される。半導体素子１０の下面には、素子固定部４０を介して第１フレーム部材３０と電気的に接続される電極が設けられてよい。第１フレーム部材３０は、封止部８０から露出する端部３４を有する。端部３４は、外部の装置に電気的に接続されてよい。
【００１８】
半導体素子１０は、上面に設けられた第１パッド１２を有する。第１パッド１２は、銅、アルミニウム、または、その他の金属等の導電材料で形成される。第１パッド１２は、均一な材料組成を有していてよく、材料組成の異なる複数の層が積層されていてもよい。第１パッド１２のいずれかの層は、めっき層であってもよい。第１パッド１２の下面は、半導体素子１０に形成されたトランジスタまたはダイオード等の素子と電気的に接続される。
【００１９】
第２フレーム部材５０は、銅またはその他の金属等の導電材料で形成される。第２フレーム部材５０は、第１フレーム部材３０と同一の材料で形成されてよい。第２フレーム部材５０は、封止部８０から露出する端部５４を有する。端部５４は、外部の装置に電気的に接続されてよい。
【００２０】
第２フレーム部材５０は、上面に設けられた第２パッド５２を有する。第２パッド５２は、均一な材料組成を有していてよく、材料組成の異なる複数の層が積層されていてもよい。第２パッド５２のいずれかの層は、めっき層であってもよい。第２パッド５２は、第２フレーム部材５０と電気的に接続される。第２パッド５２は、第２フレーム部材５０において、第１フレーム部材３０と最も近い位置に設けられてよい。
【００２１】
接続部材６０は、銅および銀の少なくとも一方を材料として含み、第１パッド１２および第２パッド５２を接続する。本例の接続部材６０はワイヤであり、一方の端部が第１パッド１２に接続され、他方の端部が第２パッド５２に接続される。接続部材６０と各パッドとは、固定部６２および固定部６４により固定されている。固定部６２および固定部６４は、ボールボンディングのボール部や、ウェッジボンディングのウェッジ部等である。接続部材６０は、銅ワイヤであってよく、銀ワイヤであってよく、銅または銀を含む合金ワイヤであってもよい。
【００２２】
接続部材６０を銅および銀の少なくとも一方を含むように形成することで、アルミニウムまたは金のワイヤに比べて、高温印加時の信頼性を向上させることができる。例えば、車載用の半導体装置においては、周囲温度が高温になる場合があるが、このような用途における信頼性を向上させることができる。
【００２３】
本例の封止部８０は、硫黄を含まない樹脂組成物で形成されている。一例として封止部８０は、主剤（例えばエポキシ樹脂）と、硬化剤（例えばフェノール樹脂）と、無機充填剤と、シランカップリング剤とを含む。その他、離型剤、密着付与剤、硬化触媒、顔料、難燃剤、低応力化剤、イオントラップ剤を含んでもよい。接続部材６０に銅または銀が含まれているので、封止部８０に硫黄が含まれていると、接続部材６０が腐食する可能性がある。これに対して封止部８０において硫黄を含まないようにすることで、接続部材６０の腐食を抑制できる。このため、接続部材６０の高温印加時の信頼性を向上させるとともに、腐食も抑制できる。
【００２４】
硫黄を含まないとは、意図的に硫黄を添加していないことを指す。封止部８０には、不可避的に添加されてしまう少量の硫黄が含まれていてもよい。例えば、１５０℃、１００時間の抽出条件におけるイオンクロマト分析で、封止部８０から抽出される硫黄は１００ｐｐｍ以下である。当該条件で抽出される硫黄は、７０ｐｐｍ以下であってよく、５０ｐｐｍ以下であってもよい。
【００２５】
なお、一般に硫黄は密着性を担保するための密着付与剤として含まれている。そのため、本例では硫黄を含んでいないことでの封止部８０の密着性の低下、とりわけ、熱サイクルの生じる第１パッド１２と接続部材６０との近傍での密着性の低下を防ぐことが好ましい。そこで、本例では、第１パッド１２の上面の算術平均粗さＲａ１を０．０２μｍ以上とする。また、第１パッド１２の粗さ曲線の最大断面高さＲｔが０．２μｍ以上であるとよい。最大断面高さＲｔは、０．３μｍ以上であってもよい。算術平均粗さおよび最大断面高さは、例えばＪＩＳ規格により規定されている。このように、第１パッド１２の上面の算術平均粗さＲａ１、最大断面高さＲｔを一定以上とすることで、第１パッド１２と接続部材６０との接続信頼性を向上するだけでなく、これらの近傍での第１パッド１２と封止部８０との接続信頼性を維持することができる。
【００２６】
以上のように、半導体装置１００によれば、高温印加時における接続部材６０の信頼性を向上させ、封止部８０による接続部材６０の腐食を抑制し、且つ、第１パッド１２と接続部材６０との接続信頼性を向上し、第１パッド１２と封止部８０との接続信頼性も維持することができる。また、金ワイヤを用いる場合に比べてコストを低減することもできる。なお、第２パッド５２の上面は、算術平均粗さＲａ２が０．０３μｍ以上とする。
【００２７】
図２は、ＸＹ面における第１フレーム部材３０、半導体素子１０、第２フレーム部材５０、および、接続部材６０の配置例を示す図である。本例の半導体装置１００は、互いに分離した複数の第２フレーム部材５０を有する。それぞれの第２フレーム部材５０は、半導体装置１００のいずれかのパッドと接続部材６０を介して接続される第２パッド５２を有する。また、それぞれの第２フレーム部材５０は、封止部８０の外部に露出する端部５４を有する。
【００２８】
第２フレーム部材５０のいずれかには、比較的に大きい電流が流れてよい。例えばいずれかの第２フレーム部材５０は、半導体素子１０のエミッタ電極（またはソース電極）等と接続される。他のいずれかの第２フレーム部材５０は、比較的に小さい電流が流れてよい。いずれかの第２フレーム部材５０は、半導体素子１０のゲート電極等と接続されてよい。また、いずれかの第２フレーム部材５０は、半導体素子１０の電流センス用電極、温度センス用電極等と接続されてよく、半導体素子１０に設けられた制御回路の電極に接続されてもよい。
【００２９】
本例の第１フレーム部材３０は、封止部８０の外部に露出する複数の端部３４を有する。第１フレーム部材３０には、比較的に大きい電流が流れてよい。例えば第１フレーム部材３０は、半導体素子１０のコレクタ電極（またはドレイン電極）等と、素子固定部４０を介して接続される。
【００３０】
本例の半導体素子１０は、ＩＧＢＴ等のパワー半導体と、制御用の集積回路とが同一チップに設けられている。本例の第１パッド１２は、パワー半導体において主電流が流れる電極である。半導体素子１０は、パワー半導体のゲートパッド等の他のパッド１４を有していてもよい。パッド１４も、接続部材６０を介していずれかの第２フレーム部材５０と接続されるが、図２では省略している。第１パッド１２およびパッド１４の周囲には、ポリイミドで形成された保護部１６を有する。第１パッド１２およびパッド１４の上面の少なくとも一部が、保護部１６に覆われずに露出する。第１パッド１２およびパッド１４の上面において保護部１６に覆われていない部分に、接続部材６０が接続する。
【００３１】
また、半導体素子１０は、制御用の集積回路等と接続されるパッド１８を有してよい。パッド１８は、いずれかの第２フレーム部材５０と接続部材６０を介して接続される。
【００３２】
図３は、第１パッド１２、第２パッド５２および接続部材６０を示す図である。図３においては一つの接続部材６０を示しているが、第１パッド１２および第２パッド５２は複数の接続部材６０により接続されてよい。
【００３３】
第１パッド１２は、図２に示した保護部１６に少なくとも一部が覆われていない上面２０を有する。上面２０の一部において、第１パッド１２と接続部材６０とが接続する。第１パッド１２と接続部材６０との信頼性、および、第１パッド１２と封止部８０との信頼性を向上させるべく、上面２０における第１パッド１２の算術平均粗さＲａ１は０．０２μｍ以上である。なお、算術平均粗さＲａ１は０．０３５μｍ以上であってよく、０．０５μｍ以上であってもよい。また、第１パッド１２の粗さ曲線の最大断面高さＲｔが０．２μｍ以上であるとよい。なお、最大断面高さＲｔは０．３５μｍ以上であってよく、０．５μｍ以上であってもよい。算術平均粗さＲａ１は、上面２０の全体での測定値を用いてよく、一部での測定値を用いてもよい。第１パッド１２の算術平均粗さＲａ１および最大断面高さＲｔは、固定部６２に覆われていない領域の全体での測定値を用いてよく、当該領域の一部での測定値を用いてもよい。
【００３４】
一例として、第１パッド１２の算術平均粗さＲａ１および最大断面高さＲｔは、上面２０の端部２２と、接続部材６０との中間における領域２４での測定値を用いてよい。例えば、端部２２近傍、または、接続部材６０近傍における算術平均粗さＲａ１または最大断面高さＲｔのばらつきが大きい場合には、領域２４における算術平均粗さＲａ１または最大断面高さＲｔを用いることで、測定誤差を低減できる。領域２４は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向のそれぞれにおいて、上面２０の長さの半分以下であってよく、１／４以下であってよく、１／１０以下であってもよい。
【００３５】
なお、第２パッド５２と接続される第１パッド１２が複数存在する場合、少なくとも一つの第１パッド１２が、上述した算術平均粗さＲａ１を有する。これにより、当該第１パッド１２と、接続部材６０との接続信頼性を向上させることができる。半導体装置１００においては、全ての第１パッド１２が、上述した算術平均粗さＲａ１を有することが好ましい。同様に、少なくとも一つの第１パッド１２が、上述した最大断面高さＲｔを有してよく、全ての第１パッド１２が、上述した最大断面高さＲｔを有することが好ましい。
【００３６】
第２パッド５２の上面は、算術平均粗さＲａ２が０．０３μｍ以上であってよい。第２パッド５２の算術平均粗さＲａ２は、上面全体での測定値を用いてよく、一部での測定値を用いてもよい。第２パッド５２の算術平均粗さＲａ２は、固定部６４に覆われていない領域の全体での測定値を用いてよく、当該領域の一部での測定値を用いてもよい。
【００３７】
このように第２パッド５２の表面を一定以上の粗さとすることで、第１パッド１２と同様に、第２パッド５２と接続部材６０との接続信頼性を向上するだけでなく、これらの近傍での第２パッド５２と封止部８０との接続信頼性を維持することができる。
【００３８】
なお、第２パッド５２の算術平均粗さＲａ２は、第１パッド１２における算術平均粗さＲａ１よりも大きくてよい。Ｒａ２は、Ｒａ１よりも１０％以上大きくてよく、２０％以上大きくてよく、５０％以上大きくてもよい。第１パッド１２は、半導体素子１０の上に形成されるのに対して、第２パッド５２は第２フレーム部材５０の上に形成される。例えば第２パッド５２は、第２フレーム部材５０の上面に銀めっき等で直接形成されている。
【００３９】
一般に、算術平均粗さが大きくなりすぎると、接触面積の増大や粒界の脆性化により耐湿性が低下し、信頼性を確保し難くなるおそれがある。ここで、第２パッド５２が形成される第２フレーム部材５０は例えば金属板であるのに対し、第１パッド１２が形成されるのは半導体素子１０であり、半導体素子の方がより耐湿性への耐性を確保することが求められる。そのため、表面を粗くしても相対的に信頼性が落ち難い第２パッド５２の算術平均粗さを、第１パッド１２の算術平均粗さより大きくするとよい。これにより、耐湿性と接続信頼性の両立を図ることができ、より高い製品信頼性を実現することができる。なお、具体的には、第１パッド１２の算術平均粗さＲａ１は、０．２μｍ以下であってよく、０．１μｍ以下であってよい。同様に第２パッド５２の算術平均粗さＲａ２は、０．３μｍ以下であってよい。
【００４０】
半導体素子１０は、シリコン等の比較的に割れやすい材料で形成されている。このため、第１パッド１２に接続部材６０を接続する場合に大きな力を印加すると、半導体素子１０に割れ等が生じる可能性がある。特に、接続部材６０が銅ワイヤ等の硬い部材の場合に、この問題が顕著になる。このため、第１パッド１２に接続部材６０を接続する場合には、比較的に小さい力で接続部材６０を第１パッド１２に押圧して接続することが好ましい。ここで、接続時に接続部材６０を第１パッド１２に押圧する力が小さくなると、第１パッド１２と接続部材６０との接続信頼性が低下する可能性がある。これに対して、第２パッド５２のみではなく、上述のように、第１パッド１２の上面を一定以上の粗さとすることで、第１パッド１２と接続部材６０との接続信頼性を確保することができる。
【００４１】
また、第１パッド１２は、銅を含む材料で形成されてよい。一例として第１パッド１２は、ＡｌＳｉＣｕまたはＡｌＣｕで形成されている。第１パッド１２が銅を含むことで、第１パッド１２の硬度を向上させることができる。このため、接続部材６０の接続時において第１パッド１２を保護することができる。
【００４２】
第１パッド１２の硬度は、接続部材６０の硬度より低く、且つ、接続部材６０の硬度の１／３より高くてよい。第１パッド１２の硬度を、一定以上とすることで、接続部材６０を第１パッド１２に固定する場合の、第１パッド１２へのダメージを抑制できる。第１パッド１２の硬度は、接続部材６０の硬度の１／２より高くてよい。第１パッド１２の硬度は、合金に含まれる材料の組成比で調整できる。
【００４３】
また、封止部８０は、ハロゲンを含まないことが好ましい。接続部材６０に銅または銀が含まれている場合、封止部８０にハロゲンが含まれていると、接続部材６０、第１パッド１２およびそれらの合金部材において腐食が生じやすくなる。これに対して封止部８０においてハロゲンを含まないようにすることで、接続部材６０、第１パッド１２およびそれらの合金部材への腐食を抑制できる。
【００４４】
ハロゲンを含まないとは、意図的にハロゲンを添加していないことを指す。封止部８０には、不可避的に添加されてしまう少量のハロゲンが含まれていてもよい。例えば、１５０℃、１００時間の抽出条件におけるイオンクロマト分析で、封止部８０から抽出されるハロゲンは３０ｐｐｍ以下である。当該条件で抽出されるハロゲンは、２０ｐｐｍ以下であってよく、１０ｐｐｍ以下であってもよい。
【００４５】
第１フレーム部材３０および第２フレーム部材５０は、銅で形成されてよい。第１フレーム部材３０および第２フレーム部材５０は、第１パッド１２よりも高い硬度を有してよい。第１フレーム部材３０および第２フレーム部材５０は、半導体等と直接接続されないので、比較的に自由に材料を選択することができる。
【００４６】
第１フレーム部材３０および第２フレーム部材５０の上面の算術平均粗さＲａ３は、０．０１μｍ以上であってよい。第１パッド１２および第２パッド５２の算術平均粗さＲａ１、Ｒａ２は、算術平均粗さＲａ３よりも大きい。第１パッド１２および第２パッド５２の算術平均粗さＲａ１、Ｒａ２を大きくすること、即ち、熱サイクルの生じる部位での算術平均粗さＲａ１、Ｒａ２を相対的に大きくし、且つ、第１フレーム部材３０および第２フレーム部材５０の上面の算術平均粗さＲａ３を一定以上とすることで、封止部８０を構成する封止樹脂の接続信頼性を維持し、封止樹脂の剥離を防ぐことができる。なお、第１フレーム部材３０および第２フレーム部材５０の上面の算術平均粗さＲａ３は、素子固定部４０および第２パッド５２が形成されていない領域で測定してよい。
【００４７】
算術平均粗さＲａ１、Ｒａ２、Ｒａ３や最大断面高さＲｔは、封止部８０による封止後に所定の値、範囲になっていればよいが、接続部材６０の接続前または封止部８０による封止前に測定を実施し、測定結果が所定の値、範囲を満たすものを用いるとよい。同様に、算術平均粗さＲａ１、Ｒａ２、Ｒａ３の比較も、封止部８０による封止後に所定の大小関係になっていればよいが、接続部材６０の接続前または封止部８０による封止前に測定、比較を実施するとよい。
【００４８】
図４は、半導体素子１０の端部近傍を拡大した断面図である。半導体素子１０は、シリコン等で形成された半導体基板９０を有する。半導体基板９０の上面には、ＢＰＳＧ、ＰＳＧ等のシリケートガラスで形成された層間絶縁膜９１が選択的に設けられる。層間絶縁膜９１の上方には第１パッド１２が設けられる。層間絶縁膜９１により覆われていない半導体基板９０の上面と、第１パッド１２とが電気的に接続される。
【００４９】
第１パッド１２の下方には、１層以上のバリアメタル層が形成されてよい。本例においては、第１バリアメタル層９２および第２バリアメタル層９３が形成されている。バリアメタル層は、第１パッド１２よりも高硬度の材料で形成されることが好ましい。第１バリアメタル層９２および第２バリアメタル層９３の一方はＴｉ層であり、他方がＴｉＮ層であってよい。これにより、接続部材６０を第１パッド１２に接続する場合に、半導体基板９０を保護することができる。
【００５０】
層間絶縁膜９１の上には、保護部として機能するポリイミド膜９５が形成されている。ポリイミド膜９５の下方には、窒化膜９４が形成されてよい。窒化膜９４は、例えばＳｉＮ膜である。窒化膜９４は、層間絶縁膜９１の上に形成されている。窒化膜９４は、バリアメタル層および第１パッド１２の側面を覆ってよく、第１パッド１２の一部を更に覆ってもよい。
【００５１】
ポリイミド膜９５は、窒化膜９４の上に形成されている。ポリイミド膜９５は、第１パッド１２の側面を覆ってよく、第１パッド１２の一部を更に覆ってもよい。窒化膜９４およびポリイミド膜９５は、第１パッド１２の接続部材６０および固定部６２により覆われていない部分に形成されている。
【００５２】
ポリイミド膜９５は、窒化膜９４、層間絶縁膜９１および半導体基板９０の側面を覆ってもよい。ポリイミドは有機材料であり、樹脂組成物（エポキシ樹脂）との密着性が高い。このため、半導体素子１０の周囲にポリイミド膜９５を設けることで、封止部８０と半導体素子１０との密着性を高めることができる。
【００５３】
ただし、封止部８０の樹脂組成物にＮＨ４イオンが多く含まれていると、ポリイミド膜９５と封止部８０との結合が弱くなる場合がある。このため、封止部８０の樹脂組成物におけるＮＨ４イオンの含有量は、１２０℃且つ１００時間の抽出条件のイオンクロマト分析において、０ｐｐｍより大きく５５ｐｐｍ以下であることが好ましい。なお、ＮＨ４イオンが少なすぎると、樹脂組成物の特性が劣化する場合があるので、封止部８０の樹脂組成物に含まれるＮＨ４イオンの含有量は、上述した抽出条件において２０ｐｐｍ以上であることが好ましい。
【００５４】
封止部８０の樹脂組成物における硫黄の含有量は、ＮＨ４イオンの含有量より少なくてよい。それぞれの成分の含有量は、同一の抽出条件のイオンクロマト分析で検出する。封止部８０における硫黄は、不可避的に含まれる量を除いて、できるだけ少ないことが好ましい。これに対してＮＨ４イオンは、樹脂組成物の特性を調整するために、微量に含まれている場合がある。
【００５５】
図５は、半導体装置１００の他の構成例を示す上面図である。本例の半導体装置１００は、封止部８０の内部に２つの半導体素子１０−１、１０−２を有する。それぞれの半導体素子１０は、図１から図４において説明した半導体素子１０と同一である。
【００５６】
また、半導体装置１００は、２つの半導体素子１０に対応して、２つの第１フレーム部材３０−１、３０−２を有する。２つの第１フレーム部材３０は互いに分離して設けられる。それぞれの第１フレーム部材３０は、図１から図４において説明した第１フレーム部材３０と同一である。また、半導体装置１００は、それぞれの半導体素子１０に対して、複数の第２フレーム部材５０を有する。それぞれの第２フレーム部材５０の端部には、第２パッド５２が設けられる。
【００５７】
それぞれの第１パッド１２に対して、１つ以上の接続部材６０が設けられる。それぞれの接続部材６０は、図１から図４に示した接続部材６０と同一である。
【００５８】
図６は、接続部材６０および固定部６２の断面の顕微鏡写真を模式的に示す図である。図６の接続部材６０は銅を含むワイヤである。図６の例では、１５０℃、１００時間の抽出条件におけるイオンクロマト分析で、封止部８０に硫黄が１２０ｐｐｍ以上含まれている。図６は、半導体装置１００に、１７５℃、３０００時間の高温印加試験を行った後の接続部材６０および固定部６２を示している。高温印加試験中において、接続部材６０には３５Ｖの電圧を印加した。
【００５９】
図６に示すように、封止部８０に硫黄が含まれている場合、接続部材６０および固定部６２に、クラック６３が生じている。これは、接続部材６０の銅成分が、封止部８０の硫黄により腐食したためと考えられる。
【００６０】
図７は、接続部材６０および固定部６２の断面の顕微鏡写真を模式的に示す図である。図７の例では、１５０℃、１００時間の抽出条件におけるイオンクロマト分析で、封止部８０に含まれる硫黄が１００ｐｐｍ以下である。他の条件は、図６の例と同一である。
【００６１】
図７に示すように、封止部８０に硫黄が含まれていない場合、高温印加試験を行っても、接続部材６０および固定部６２にはクラックが生じなかった。封止部８０に硫黄が含まれていないため、接続部材６０の銅成分が腐食されないためと考えられる。このように、封止部８０が硫黄を含まないことで、接続部材６０の材料として銅を用いても、高温信頼性を高めることができる。
【００６２】
ただし、硫黄を含まないことで、封止部８０と、第１パッド１２、第２パッド５２、第１フレーム部材３０および第２フレーム部材５０との接続信頼性が低下する場合がある。上述したように、これら第１パッド１２、第２パッド５２、第１フレーム部材３０および第２フレーム部材５０の算術平均粗さＲａ１、Ｒａ２、Ｒａ３を一定以上とすることで、封止部８０との接続信頼性を維持することができる。
【００６３】
図８は、高温印加試験を行った場合の、接続部材６０および第１パッド１２における抵抗増加率を示す図である。図８では、図６および図７の例と同様に、封止部８０に硫黄を含む例と、含まない例を示している。図８に示すように、封止部８０に硫黄を含む場合、高温印加試験を続けると、接続部材６０および第１パッド１２における抵抗が増加する。これは、図６に示したように、接続部材６０が腐食したためと考えられる。一方で、封止部８０に硫黄を含まない場合、高温印加試験を長時間行っても、接続部材６０および第１パッド１２における抵抗は増加しない。
【００６４】
図９は、封止部８０におけるＮＨ４イオンの含有量と、封止部８０の剥離不良の発生率との関係を示す図である。封止部８０の剥離不良とは、封止部８０の少なくとも一部がポリイミド膜９５から剥離して、隙間が生じてしまう状態を指す。図９におけるＮＨ４イオンの含有量は、１２０℃且つ１００時間の抽出条件のイオンクロマト分析で検出した。
【００６５】
図９に示すように、ＮＨ４イオンの含有量が４７ｐｐｍを境にして、急激に剥離不良の発生率が上昇する。そして、ＮＨ４イオンの含有量が７０ｐｐｍ以上になると、ほぼ全数において剥離不良が発生してしまう。このため、ＮＨ４イオンの含有量は、５５ｐｐｍ以下、より好ましくは５０ｐｐｍ以下、更に好ましくは４７ｐｐｍ以下であることが好ましい。なお、イオンクロマト分析においては、温度および時間の条件が大きいほど、抽出される対象成分の含有量が増大する場合がある。このため、２種類の含有量を比較する場合、同一の抽出条件におけるイオンクロマト分析で検出することが好ましい。
【００６６】
図１０は、本発明の実施形態に係る製造方法の一例を示すフローチャートである。本例の製造方法は、第１パッド１２を有する半導体素子１０と、第２パッド５２を有する第２フレーム部材５０とを備える半導体装置１００を製造する。半導体装置１００は、図１から図９において説明したいずれかの態様の半導体装置１００である。
【００６７】
段階Ｓ２００において、半導体素子１０の第１パッド１２と、第２フレーム部材５０の第２パッド５２との少なくとも一方の上面の粗さを調整する。各パッドの上面の粗さは、エッチング等の処理によって調整できる。各パッドの製造条件を制御することで、各パッドの上面の粗さを調整してもよい。
【００６８】
段階Ｓ２００においては、第１パッド１２の上面の算術平均粗さＲａ１を０．０２μｍ以上にしてよい。また、段階Ｓ２００においては、第２パッド５２の上面の算術平均粗さＲａ２を、第１パッド１２の算術平均粗さＲａ１より大きくしてもよい。また、段階Ｓ２００においては、第１パッド１２の上面の算術平均粗さＲａ１を０．０２μｍ以上にし、且つ、第２パッド５２の上面の算術平均粗さＲａ２を、第１パッド１２の算術平均粗さＲａ１より大きくしてもよい。
【００６９】
段階Ｓ２０２において、第１パッド１２と、第２パッド５２とを、銅および銀の少なくとも一方を含む接続部材６０で接続する。接続部材６０は、固定部６２および固定部６４により、第１パッド１２および第２パッド５２に固定されてよい。本例の半導体素子１０は、第１フレーム部材３０の上面に固定されている。
【００７０】
段階Ｓ２０４において、半導体素子１０、第１フレーム部材３０、第２フレーム部材５０および接続部材６０を、硫黄を含まない樹脂組成物で封止して、封止部８０を形成する。段階Ｓ２０４においては、樹脂組成物を注入する型の内部の所定の位置に、半導体素子１０、第１フレーム部材３０、第２フレーム部材５０および接続部材６０を配置した状態で、型に樹脂組成物を注入する。このような方法により、パッドと接続部材６０との接続信頼性を向上させた半導体装置１００を製造することができる。
【００７１】
図１１は、製造方法の他の例を示すフローチャートである。本例の製造方法は、図１０に示した段階Ｓ２０２と同一の工程を有する。本例の製造方法においては、段階Ｓ２０２の前に、段階Ｓ２００を行ってよく、行わなくともよい。
【００７２】
本例の製造方法は、図１０に示した段階Ｓ２０４に代えて、段階Ｓ２０６を有する。段階Ｓ２０６においては、ＮＨ４イオンの含有量が、１２０℃且つ１００時間の抽出条件のイオンクロマト分析において、０より大きく５５ｐｐｍ以下である樹脂組成物を用いる点を除き、段階Ｓ２０４と同一である。なお、段階Ｓ２０６における樹脂組成物は、硫黄の含有量が、ＮＨ４イオンの含有量より少ないとよい。このような方法により、製品信頼性の高い半導体装置１００を製造することができる。
【００７３】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【００７４】
１０・・・半導体素子、１２・・・第１パッド、１４・・・パッド、１６・・・保護部、１８・・・パッド、２０・・・上面、２２・・・端部、２４・・・領域、３０・・・第１フレーム部材、３４・・・端部、４０・・・素子固定部、５０・・・第２フレーム部材、５２・・・第２パッド、５４・・・端部、６０・・・接続部材、６２、６４・・・固定部、６３・・・クラック、８０・・・封止部、９０・・・半導体基板、９１・・・層間絶縁膜、９２・・・第１バリアメタル層、９３・・・第２バリアメタル層、９４・・・窒化膜、９５・・・ポリイミド膜、１００・・・半導体装置
【図１】
2018117026.tif 000003
【図２】
2018117026.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2018117026.tif 000007
【図６】
2018117026.tif 000008
【図７】
2018117026.tif 000009
【図８】
2018117026.tif 000010
【図９】
2018117026.tif 000011
【図１０】
2018117026.tif 000012
【図１１】
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