(57)【要約】【課題】半導体チップの放熱性を低下させることなく、半導体チップにかかる熱応力を緩和させる。【解決手段】本発明の半導体装置１は、金属粒子を焼結させた焼結層５を基板３上に形成し、焼結層５の表面に半導体チップ７を加圧して接合させた半導体装置であって、基板３上に酸化膜９を形成し、この酸化膜９は半導体チップ７の直下となる領域の一部に配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属粒子を焼結させた焼結層を基板上に形成し、前記焼結層の表面に半導体チップを加圧して接合させた半導体装置であって、
前記基板上に酸化膜を形成し、前記酸化膜は、前記半導体チップの直下となる領域の一部に配置されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記酸化膜は、前記半導体チップの周縁部の直下となる領域に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記酸化膜は、前記半導体チップの角部の直下となる領域に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記酸化膜は、前記半導体チップの角部の直下となる領域の形状が曲線状であることを特徴とする請求項２または３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記基板上に突起を設け、前記突起は、前記酸化膜に対して前記半導体チップの直下となる領域側に配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属粒子を焼結させた焼結層を基板上に形成し、焼結層の表面に半導体チップを加圧して接合させた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の電力機器の小型化・高出力化に伴い、パワーモジュールを高耐熱化し、高温動作させることが重要になっている。そのようなパワーモジュールに使用される半導体チップを基板と接合させる高耐熱実装の一つの方法として、ＡｇやＣｕ等の金属微粒子を加温、加圧することによって焼結させる工法がある。
【０００３】
この方法で製造された半導体装置では、基板と半導体チップの熱膨張係数の差により、製作時及び使用中に半導体チップや焼結層に熱応力がかかるので、この熱応力を低減させる必要がある。そこで、従来では、熱応力を緩和するための構造として、特許文献１が開示されている。
【０００４】
特許文献１に開示された半導体装置では、金属製の基板上に接合層を介して半導体素子を接合し、接合層の形状を円柱状にすることによって、半導体素子にかかる熱応力を緩和していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−１４４２２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した従来の半導体装置では、接合層を円柱状にしているので、半導体素子の四隅に接合層が形成されていなかった。そのため、半導体素子の四隅で熱が放熱されずに、放熱性が低下してしまうという問題点があった。したがって、上述した従来の半導体装置では、放熱性を低下させずに、熱応力を緩和することはできなかった。
【０００７】
そこで、本発明は上記実情に鑑みて提案されたものであり、半導体素子の放熱性を低下させることなく、熱応力を緩和することのできる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】
【０００８】
上述した課題を解決するために、本発明の一態様に係る半導体装置は、基板上に酸化膜を形成し、この酸化膜を半導体チップの直下となる領域の一部に配置する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、半導体チップの放熱性を低下させることなく、半導体チップにかかる熱応力を緩和することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置の構造を示す上面図である。
【図３】図３は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置における酸化膜の配置を説明するための図である。
【図４】図４は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置における酸化膜の配置を説明するための図である。
【図５】図５は、本発明の第３実施形態に係る半導体装置における酸化膜の形状を説明するための図である。
【図６】図６は、本発明の第３実施形態に係る半導体装置における酸化膜の形状を説明するための図である。
【図７】図７は、本発明の第４実施形態に係る半導体装置における突起の配置を説明するための図である。
【図８】図８は、本発明の第４実施形態に係る半導体装置における突起の配置を説明するための図である。
【図９】図９は、本発明の第４実施形態に係る半導体装置における効果を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［第１実施形態］
以下、本発明を適用した第１実施形態について図面を参照して説明する。
【００１２】
［半導体装置の構成］
図１は本実施形態に係る半導体装置の構造を示す断面図であり、図２は本実施形態に係る半導体装置の構造を示す上面図である。図１に示すように、本実施形態に係る半導体装置１は、基板３と、焼結層５と、半導体チップ７と、酸化膜９とを備えている。尚、図１は、図２のＸ−Ｘ線の断面図である。
【００１３】
半導体装置１は、金属粒子を焼結させた焼結層５を基板３上に形成し、焼結層５の表面に半導体チップ７を加圧して接合させたものである。
【００１４】
基板３は、銅などの金属基板やセラミック基板等である。基板３では、金属基板本体の表面やセラミック基板の銅電極の表層に、焼結層５を接続可能にするための金や銀などの膜が成膜されている。この膜は、メッキなどの工法によって成膜すればよい。
【００１５】
焼結層５は、銀や銅、ニッケルなどのマイクロ、ナノ粒子を加圧・加温することにより焼結した金属層である。焼結層５は、導電性を有するとともに、半導体チップ７の熱を吸収して放熱する機能も有している。焼結層５を作成する際には、半導体チップ７を加圧する必要がある。焼結層５の表面に半導体チップ７を加圧して接合すると、半導体チップ７の直下となる焼結層５の部分は、加圧されて金属粒子の密度が高い焼結層密部５ａとなる。一方、半導体チップ７の直下とはならない焼結層５の部分は、加圧されずに金属粒子の密度が低い焼結層疎部５ｂとなる。焼結層密部５ａは金属粒子の密度が高いために強度が高くなるのに対して、焼結層疎部５ｂは金属粒子の密度が低いために強度が低くなる。
【００１６】
尚、焼結層５を形成するための焼結剤としては、ベース金属の材質や粒径を問わず、ペースト状のもの全てを利用することが可能であり、基板側に全面印刷する方法や半導体チップ側の形状を描いてディスペンスする方法などを適用することができる。
【００１７】
半導体チップ７はＩＧＢＴやＭＯＳ−ＦＥＴのようなパワー半導体から構成され、焼結層５に接続される面の最表面には、焼結層５を接続可能な金や銀などの電極が形成されている。ＩＧＢＴやＭＯＳ−ＦＥＴのようなパワー半導体は駆動時に発熱するため放熱が必要であるが、半導体チップ７の下側の面全体が焼結層５と接しているので、面全体から焼結層５へ放熱することが可能である。
【００１８】
酸化膜９は、基板３の表面を酸化することによって基板３上に形成される。具体的に、酸化膜９は、基板３上をマスキングして、プラズマによる酸化等の工法で形成することができる。酸化膜９が形成された部分では、焼結層５と基板３との間が接合されることはないので、酸化膜９は接合防止層として機能する。一方、酸化膜９が形成されていない部分では、焼結層５と基板３が直接接触して十分に接合される。
【００１９】
また、酸化膜９は、基板３の表面上の領域のうち、半導体チップ７の直下となる領域の一部に配置されている。したがって、酸化膜９は、半導体チップ７の直下となる焼結層密部５ａの一部に接するように配置されている。
【００２０】
例えば、図３に示すように、酸化膜９は、基板３の表面上の領域のうち、半導体チップ７の周縁部の直下となる領域に配置されている。この半導体チップ７の周縁部の直下となる領域とは、図３に示すように、基板３の表面上の領域のうち、半導体チップ７の端部の直下から内側と外側に所定距離の範囲である。ただし、半導体チップ７の端部の直下から内側だけに所定距離の範囲であってもよい。
【００２１】
図３では、点線で示した半導体チップ７の端部の直下から内側へ所定距離の範囲に酸化膜９が配置されている。したがって、酸化膜９は、半導体チップ７の端部の直下から内側に所定距離の範囲で焼結層密部５ａと接している。尚、所定距離については、焼結層密部５ａにかかる熱応力を緩和するために必要な距離に設定すればよい。ただし、所定距離が大きくなり過ぎると、焼結層５を基板３に十分に接合できなくなるので、接合強度を考慮して、所定距離が大きくなり過ぎないように設定する必要がある。
【００２２】
また、図３では、点線で示した半導体チップ７の端部の直下から外側へ所定距離の範囲に酸化膜９が配置されている。したがって、酸化膜９は、半導体チップ７の端部の直下から外側で焼結層疎部５ｂと接している。ただし、図３では、酸化膜９が焼結層５の外側まで配置されているが、酸化膜９を焼結層５の外側まで配置しなくてもよい。
【００２３】
［第１実施形態の作用効果］
図３に示すように酸化膜９を配置したことにより、本実施形態に係る半導体装置１では、半導体チップ７の放熱性を低下させることなく、半導体チップ７にかかる熱応力を緩和することができる。
【００２４】
具体的に説明すると、酸化膜９がない場合には、半導体チップ７と焼結層密部５ａとの間の界面に熱応力が集中するので、半導体チップ７が破損して寿命の低下をもたらしていた。
【００２５】
しかしながら、酸化膜９を配置することによって、熱応力の集中箇所１１は、図１に示すように酸化膜９の端部の位置における焼結層密部５ａと基板３との間の界面近傍となる。したがって、クラックは焼結層密部５ａと基板３との間の界面に沿って入るので、半導体チップ７にかかる熱応力は緩和され、半導体チップ７の破損を防止することができる。
【００２６】
また、半導体チップ７の下側の面全体には焼結層５が接しているので、面全体から焼結層５へ放熱することが可能である。したがって、半導体チップ７の放熱経路を確保することができ、放熱性を低下させることはない。
【００２７】
以上、詳細に説明したように、本実施形態に係る半導体装置１では、基板３上に酸化膜９を形成し、この酸化膜９を半導体チップ７の直下となる領域の一部に配置している。これにより、半導体チップ７の放熱性を低下させることなく、半導体チップ７にかかる熱応力を緩和することができる。
【００２８】
また、本実施形態に係る半導体装置１では、酸化膜９を半導体チップ７の周縁部の直下となる領域に配置している。これにより、半導体チップ７の放熱性を低下させることなく、半導体チップ７にかかる熱応力を緩和することができる。
【００２９】
［第２実施形態］
以下、本発明を適用した第２実施形態について図面を参照して説明する。ただし、第１実施形態と同一の構成には同一の番号を付して詳細な説明は省略する。
【００３０】
図４は、本実施形態に係る半導体装置における酸化膜の配置を説明するための図である。図４に示すように、本実施形態に係る半導体装置４０では、酸化膜４２を、基板３の表面上の領域のうち、半導体チップ７の角部の直下となる領域に配置したことが、第１実施形態と相違している。
【００３１】
酸化膜４２は、半導体チップ７の角部の直下の周囲のみに配置され、角部の直下以外の領域には配置されていない。したがって、酸化膜４２は、半導体チップ７の角部の直下の周囲のみで焼結層密部５ａと接している。
【００３２】
［第２実施形態の作用効果］
半導体チップ７の四隅となる角部には、熱応力が集中するので、図４に示すように半導体チップ７の角部の直下となる領域に酸化膜４２を配置すれば、半導体チップ７にかかる熱応力を緩和して半導体チップ７の破損を防止することができる。また、焼結層５と基板３との間の接合面積を増加させることができるので、放熱性を向上させることもできる。
【００３３】
このように、本実施形態に係る半導体装置４０では、酸化膜４２を半導体チップ７の角部の直下となる領域に配置したので、半導体チップ７にかかる熱応力を緩和できるとともに、半導体チップ７の放熱性を向上させることができる。
【００３４】
［第３実施形態］
以下、本発明を適用した第３実施形態について図面を参照して説明する。ただし、第１及び第２実施形態と同一の構成には同一の番号を付して詳細な説明は省略する。
【００３５】
図５は、本実施形態に係る半導体装置における酸化膜の形状を説明するための図である。図５では、半導体チップ７の四隅の一部を拡大して示している。図５に示すように、本実施形態に係る半導体装置５０の酸化膜５２は、半導体チップ７の角部の直下となる領域の形状を曲線状としたことが、第２実施形態と相違している。
【００３６】
また、酸化膜５２の曲線状の部分は、半導体チップ７の端部の直下となる部分に接するように形成されている。すなわち、図５では、半導体チップ７の端部の直下となる部分を点線で示しているので、この点線に接するような曲線形状となっている。さらに、図３に示す第１実施形態の酸化膜の場合には、図６に示すように酸化膜６２の角部の形状を曲線状に形成すればよい。
【００３７】
［第３実施形態の作用効果］
第２実施形態で説明したように、酸化膜を曲線形状としない場合には、図５に示すように角度θが生じる。この角度θは、半導体チップ７の端部の直下となる点線と酸化膜との間に生じる角度である。すなわち、焼結層密部５ａと酸化膜との間に生じる角度である。この角度θの部分には熱応力が集中する。しかし、本実施形態では、酸化膜５２の形状を曲線状に形成して、酸化膜５２が焼結層密部５ａに接するように形成したので、熱応力を分散することができる。これにより、熱応力によるクラックの進展を抑制することができるので、半導体チップ７の寿命を延ばすことができる。
【００３８】
このように、本実施形態に係る半導体装置５０、６０の酸化膜５２、６２は、半導体チップ７の角部の直下となる領域の形状を曲線状としたので、熱応力を分散することができ、熱応力によるクラックの進展を抑制することができる。
【００３９】
［第４実施形態］
以下、本発明を適用した第４実施形態について図面を参照して説明する。ただし、第１〜第３実施形態と同一の構成には同一の番号を付して詳細な説明は省略する。
【００４０】
図７は、本実施形態に係る半導体装置における突起の配置を説明するための図である。図７に示すように、本実施形態に係る半導体装置７０では、基板３の表面上に突起７２を設けたことが第２実施形態と相違している。突起７２は、酸化膜４２に対して半導体チップ７の直下となる領域側に配置されている。すなわち、突起７２は、酸化膜４２の焼結層密部５ａ側に配置されている。図７では突起７２を酸化膜４２に接して配置しているが、接していなくても酸化膜４２の周縁に近接して焼結層密部５ａ側に配置されていればよい。尚、突起７２は、アルミニウム等の金属をワイヤボンディングすることで形成することができる。
【００４１】
また、第１実施形態で説明した酸化膜に突起を設ける場合には、図８に示すように角部に突起８２を設ければよい。このとき、角部だけではなく、酸化膜９の内側の周縁に沿って複数の突起を並べて設置してもよい。さらに、第３実施形態の図５、６に示す酸化膜の場合でも、図７、８と同様の位置に突起を設けることができる。
【００４２】
［第４実施形態の作用効果］
図７の突起７２がない場合には、半導体装置７０を使用して劣化すると、酸化膜４２の端部から、焼結層密部５ａと基板３との間の界面近傍に沿って、熱応力によるクラックが生じる。この場合、界面は接合が弱いので、クラックの進行は早く、劣化を早めることになる。しかし、本実施形態では、突起７２を設けたので、図９に示すようにクラック９０が入る経路を焼結層５の厚さ方向の中央付近に誘導することができる。すなわち、酸化膜４２の端部から発生したクラック９０は、突起７２の外面に沿って進行し、その後、焼結層５の厚さ方向の中央付近を水平方向に進んでいくことになる。これにより、クラックを焼結層５と基板３との間の界面ではなく、焼結層５の内部に進行させることができるので、クラックの進行を遅らせて半導体装置７０の寿命を延ばすことができる。
【００４３】
このように、本実施形態に係る半導体装置７０は、基板３上に突起７２を設け、突起７２を酸化膜４２に対して半導体チップ７の直下となる領域側に配置している。これにより、クラックを焼結層５の内部に進行させることができるので、クラックの進行を遅らせて半導体装置７０の寿命を延ばすことができる。
【００４４】
なお、上述の実施形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施形態以外の形態であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計などに応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【符号の説明】
【００４５】
１、４０、５０、６０、７０、８０  半導体装置
３  基板
５  焼結層
５ａ  焼結層密部
５ｂ  焼結層疎部
７  半導体チップ
９、４２、５２、６２  酸化膜
７２、８２  突起
９０  クラック
【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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