(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹形状の反りを有する半導体チップ（１）と、
前記半導体チップ（１）が接合により搭載された絶縁基板（３）と、
前記絶縁基板（３）が搭載され、かつ、放熱性を有するベース板（４）と、
前記絶縁基板（３）および前記半導体チップ（１）を封止する樹脂部（６）と、
前記半導体チップ（１）と前記絶縁基板（３）との接合部に配置されたバンプ（１０）と、
を備え、
前記半導体チップ（１）の前記絶縁基板（３）と反対側の面である上面に、前記半導体チップ（１）の線膨張係数よりも大きな線膨張係数を有する熱硬化性樹脂層（１１）が設けられた、半導体装置。
【請求項２】
凹形状の反りを有する半導体チップ（１）と、
前記半導体チップ（１）が接合により搭載された絶縁基板（３）と、
前記絶縁基板（３）が搭載され、かつ、放熱性を有するベース板（４）と、
前記絶縁基板（３）および前記半導体チップ（１）を封止する樹脂部（６）と、
前記半導体チップ（１）と前記絶縁基板（３）との接合部に配置されたバンプ（１０）と、
を備え、
前記半導体チップ（１）の前記絶縁基板（３）との接合面である下面に下面電極(９）が設けられ、前記半導体チップ（１）の前記絶縁基板（３）と反対側の面である上面に、前記下面電極（９）の線膨張係数よりも大きな線膨張係数を有する上面電極（７，８）が設けられた、半導体装置。
【請求項３】
凹形状の反りを有する半導体チップ（１）と、
前記半導体チップ（１）が接合により搭載された絶縁基板（３）と、
前記絶縁基板（３）が搭載され、かつ、放熱性を有するベース板（４）と、
前記絶縁基板（３）および前記半導体チップ（１）を封止する樹脂部（６）と、
前記半導体チップ（１）と前記絶縁基板（３）との接合部に配置されたバンプ（１０）と、
を備え、
前記半導体チップ（１）の前記絶縁基板（３）との接合面である下面に下面電極（９）が設けられ、前記半導体チップ（１）の前記絶縁基板（３）と反対側の面である上面に、前記下面電極（９）よりも厚い上面電極（７，８）が設けられた、半導体装置。
【請求項４】
前記半導体チップ（１）の凹形状の反り量は、１μｍ以上、かつ、前記バンプ（１０）の高さ未満である、請求項１から請求項３のいずれか1項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記半導体チップ（１）の厚みは１００μｍ以下である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記ベース板（４）に、前記絶縁基板（３）が一体構成されている、請求項１から請求項５のいずれか1項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記絶縁基板（３）と前記ベース板（４）とが、接合材により接合された、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記半導体チップ（１）の前記絶縁基板（３）と反対側の面である上面電極（７，８）にリードフレーム（５ｂ，５ｃ）が接合された、請求項１、請求項４から請求項７のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記半導体チップ（１）の前記絶縁基板（３）と反対側の面である前記上面電極（７，８）にリードフレーム（５ｂ，５ｃ）が接合された、請求項２または請求項３に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記熱硬化性樹脂層（１１）は、前記半導体チップ（１）の上面に沿って一方向に延び
る直線形状に形成された、請求項１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、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、およびＤｉｏｄｅなどの半導体装置に関し、特に半導体チップと絶縁基板との間の接合材の内部に発生するボイドを抑制し、信頼性を向上させることが可能な半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的な半導体装置では、接合材を介して半導体チップを絶縁基板等のパターンに接合する構造が採用されている。近年、半導体チップはコストダウン、およびエネルギーロスの削減などの電気特性の改善を目的として薄型化が進んでいるが、相反して、凸方向に半導体チップの反りが増大する傾向にある。 その結果、接合材の接合工程においては、半導体チップの反りに沿って接合材の内部にボイドが残留するため、半導体装置の放熱性能が低下する。さらに、半導体装置を長期使用した場合、接合材の内部に残留するボイドにより半導体装置の信頼性が低下するという問題が顕著化している。【０００３】
例えば、特許文献１には、半導体チップの上面側、より具体的には、エミッタ電極側の外周部に絶縁性厚膜で枠を形成することで、バイメタル効果により半導体チップの反りを抑制できる技術が開示されている。さらに、この枠をつなぐように梁を形成することで、バイメタル効果により半導体チップの反りを抑制し、ボイドを低減している。【０００４】
また、例えば、特許文献２には、表面電極パターンとしての、エミッタ電極分割パターンおよびストライプ状のゲート電極パターンに合わせて、裏面電極を分割しスリットを形成することで、半導体チップのバイメタル効果による反り量を低減し、ボイドを低減する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２７３３５７号公報
【特許文献２】特開２００３−２２４２７５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、特許文献１，２に記載の技術は、凸形状に反った半導体チップにおける反りを低減するのみであり、接合材の内部でボイドが発生するとボイドは上方向に進む。そのため、凸形状の半導体チップの反り量を低減するだけでは、接合材の内部に残留するボイドを低減することは困難であり、信頼性の高い半導体装置を製造することは難しい。【０００７】
そこで、本発明は、接合材の内部に残留するボイドを低減し、信頼性の高い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】
本発明に係る半導体装置は、凹形状の反りを有する半導体チップと、半導体チップが接合により搭載された絶縁基板と、絶縁基板が搭載され、かつ、放熱性を有するベース板と、絶縁基板および半導体チップを封止する樹脂部と、半導体チップと前記絶縁基板との接合部に配置されたバンプとを備えている。半導体チップの絶縁基板と反対側の面である上面に、半導体チップの線膨張係数よりも大きな線膨張係数を有する熱硬化性樹脂層が設けられている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、半導体装置は、凹形状の反りを有する半導体チップと、半導体チップが接合により搭載された絶縁基板と、絶縁基板が搭載され、かつ、放熱性を有するベース板と、絶縁基板および半導体チップを封止する樹脂部と、半導体チップと絶縁基板との接合部に配置されたバンプとを備え、半導体チップの絶縁基板と反対側の面である上面に、半導体チップの線膨張係数よりも大きな線膨張係数を有する熱硬化性樹脂層が設けられている。
【００１０】
したがって、接合材の内部に残留するボイドが接合材の外部に抜けやすくなり、接合材の内部に残留するボイドを低減することができる。これにより、信頼性の高い半導体装置を実現することができる。【００１１】
この発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。
【図２】実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための要部断面図である。
【図３】実施の形態１に係る半導体装置の半導体チップの平面図である。
【図４】実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための要部断面図である。
【図５】実施の形態１に係る半導体装置の要部断面図である。
【図６】実施の形態１に係る半導体装置の半導体チップの反り量と残留ボイド数との関係図である。
【図７】実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を説明するための要部断面図である。
【図８】実施の形態２に係る半導体装置の半導体チップの平面図である。
【図９】実施の形態２の変形例１に係る半導体装置の半導体チップの平面図である。
【図１０】実施の形態２の変形例２に係る半導体装置の半導体チップの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
＜実施の形態１＞
本発明の実施の形態１について、図面を用いて以下に説明する。図１は、実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。
【００１４】
実施の形態１に係る半導体装置は、例えば家電用、産業用、自動車用、および電車用などに広く用いられる半導体パワーモジュールである。図１に示すように、半導体装置は主に、半導体チップ１、接合材２ａ，２ｂ，２ｃ、絶縁基板３、金属ベース板４、リードフレーム５ａ，５ｂ，５ｃ、樹脂部６、およびバンプ１０を備えている。
【００１５】
半導体チップ１は、例えば縦型のＩＧＢＴにより構成され、後述する方法により凹形状の反りを有している。ここで、凹形状とは、半導体チップ１の上面における周縁部の少なくとも一部の高さ位置が中央部の高さ位置よりも高くなっている形状をいう。半導体チップ１は、絶縁基板３の上面に接合材２ａを介して搭載されている。
【００１６】
また、図１では、１つの絶縁基板３の上面に半導体チップ１が１つだけ搭載されているが、これに限定するものではない。絶縁基板３は、用途に応じて必要な個数の半導体チップ１を搭載することができる。
【００１７】
半導体チップ１の上面には、上面電極としての、ゲート電極７およびエミッタ電極８が形成されている。半導体チップ１の下面には、下面電極としてのコレクタ電極９が形成されている。ゲート電極７およびエミッタ電極８は、例えばアルミニウムを９５％以上含む材料により構成されている。コレクタ電極９は、接合材２ａとの接合性を確保するために金属積層膜により構成されている。コレクタ電極９を構成する金属積層膜は、半導体チップ１側から順に例えば、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ、またはＡｌＳｉ／Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕなどにより構成されている。コレクタ電極９は接合材２ａを介して絶縁基板３に接合されている。
【００１８】
なお、ゲート電極７、エミッタ電極８およびコレクタ電極９の材料は、後述する半導体チップ１における凹形状の反りの形成方法に応じて変更される。
【００１９】
絶縁基板３は、電極パターンを有しており、金属ベース板４の上面に実装されている。絶縁基板３は、熱伝導性の高い材料により構成され、半導体チップ１で発生した熱を金属ベース板４に伝達する。
【００２０】
また、絶縁基板３の電極パターン、および金属ベース板４として、銅またはアルミニウムが用いられるが、これに限定するものではなく、必要な放熱性を有するものであれば特に限定されない。絶縁基板３の電極パターン、および金属ベース板４として、例えば鉄が用いられていても、または複合した材料が用いられてもよい。
【００２１】
さらに、絶縁基板３の電極パターンおよび金属ベース板４の表面には、ニッケルメッキが施されていてもよいが、これに限定するものではない。絶縁基板３の電極パターンおよび金属ベース板４の表面には、金メッキまたは錫メッキが施されていてもよく、必要な電流と電圧を半導体チップ１に供給できる構造であればよい。
【００２２】
また、絶縁基板３の電極パターンの少なくとも一部には、樹脂との密着性を向上させるため表面に微小な凹凸が設けられていてもよく、またプライマー処理等の密着性向上剤が塗布されてもよい。密着性向上剤として、例えばシランカップリング剤、ポリイミド、またはエポキシ樹脂等が用いられるが、絶縁基板３の電極パターンと樹脂部６との密着性を向上させるものであれば特に限定されない。
【００２３】
また、絶縁基板３として、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＡｌＮ、ＢＮ、またはＳｉ3Ｎ4などのセラミックの絶縁基板に銅またはアルミニウムの電極パターンを設けたものでもよい。絶縁基板３は、放熱性と絶縁性を備えることが必要であり、上記に限らず、セラミック粉を分散させた樹脂硬化物、またはセラミック板を埋め込んだ樹脂硬化物のような基板に電極パターンを設けたものでもよい。
【００２４】
また、絶縁基板３に使用されるセラミック粉として、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＡｌＮ、ＢＮ、またはＳｉ3Ｎ4などが用いられるが、これに限定するものではなく、ダイアモンド、ＳｉＣ、またはＢ2Ｏ3などが用いられてもよい。粉形状として、球状が用いられることが多いが、これに限定するものではなく、破砕状、粒状、リン片状、または凝集体などが用いられてもよい。粉体の充填量として、必要な放熱性と絶縁性が得られる量が充填されていればよい。
【００２５】
また、絶縁基板３として、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂、またはアクリル樹脂などが用いられていてもよく、必要な絶縁性と接着性を兼ね備えた材料であればよい。
【００２６】
また、実施の形態１では、絶縁基板３と金属ベース板４は別体であり、接合材により接合されているが、絶縁基板と金属ベース板が一体で構成されてもよい。
【００２７】
金属ベース板４は、下面に複数のフィン４ａを備え、放熱性を有している。金属ベース板４は、絶縁基板３を介して伝達された半導体チップ１の熱を半導体装置の外部へ放熱する。
【００２８】
ゲート電極７およびエミッタ電極８の上面には、接合材２ｂ、２ｃを介してリードフレーム５ｂ，５ｃがそれぞれ接続されている。また、絶縁基板３の上面における端部には、リードフレーム５ａが接続されている。
【００２９】
リードフレーム５ａ，５ｂ，５ｃとして、アルミニウムまたは金で構成された断面が円形状の線材が用いられるが、これに限定するものではない。例えば、断面が方形状の銅板を帯状にしたものが用いられてもよい。また、図１では、半導体チップ１に３つのリードフレーム５ａ，５ｂ，５ｃが接合されているが、これに限定するものではない。半導体チップ１の電流密度などにより、必要な本数のリードフレームを接合することができる。また、リードフレーム５ａ，５ｂ，５ｃの接合として、銅または錫などの金属片を溶融金属、または超音波接合等が用いられるが、必要な電流と電圧を半導体チップ１に供給できる方法であれば接合方法は特に限定されない。
【００３０】
樹脂部６は、金属ベース板４の上部、絶縁基板３、および半導体チップ１を封止している。なお、樹脂部６としては、例えばエポキシ樹脂が用いられるが、これに限定するものではない。必要な弾性率、耐熱性、絶縁性および接着性を有している樹脂であればよい。例えばエポキシ樹脂の他に、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、またはアクリル樹脂等が用いられてもよい。実施の形態１では、樹脂部６は、金属ベース板４に接合された、半導体チップ１および絶縁基板３を覆うように形成された樹脂ケース内部に充填されるが、半導体装置は、樹脂ケースが形成されないモールド型構造であってもよい。
【００３１】
バンプ１０は、半導体チップ１と絶縁基板３との接合部に配置されている。より具体的には、バンプ１０は、半導体チップ１の下面に形成されたコレクタ電極９と絶縁基板３との間の接合材２ａの内部に配置されている。なお、バンプ１０の詳細については後述する。
【００３２】
次に、半導体チップ１における凹形状の反りの形成方法について説明する。図２は、半導体装置の製造方法を説明するための要部断面図である。図３は、半導体装置の半導体チップ１の平面図である。なお、図２においては図面を見やすくするためにバンプ１０を省略し、以降の図面においても同様である。
【００３３】
図２に示すように、半導体チップ１の上面には、金属積層膜からなるゲート電極７、および金属積層膜からなるエミッタ電極８が形成されている。半導体チップ１の下面には、金属積層膜からなるコレクタ電極９が形成されている。ゲート電極７およびエミッタ電極８は、コレクタ電極９を構成する材料の線膨張係数よりも大きな線膨張係数を有する材料により構成されている。このように、半導体チップ１の上面と下面に線膨張係数の異なる材料により上面電極と下面電極をそれぞれ形成することで半導体チップ１の上面側と下面側とで発生する応力に違いが生じる。その応力を利用することで、半導体チップ１に反りを形成することができる。なお、半導体チップ１の上面電極および下面電極には、ＡｌＳｉ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｔｉ、またはＮｉが採用可能である。半導体チップ１の上面電極および下面電極を構成する材料を互いに異ならせることで、上面電極および下面電極の線膨張係数を互いに異ならせることができる。具体的には、例えば、上面電極としてのゲート電極７およびエミッタ電極８にはＡｌＳｉなどが採用され、下面電極としてのコレクタ電極９にはＣｕなどが採用される。
【００３４】
図２の場合、半導体チップ１の上面側に、下面側に発生する応力よりも大きな応力が発生するため、半導体チップ１に凹形状の反りを形成することができる。具体的には、図３に示すように、半導体チップ１の上面における周縁部の少なくとも一部が中央部よりも高い高さ位置に位置するように、半導体チップ１の形状を変化させることができる。
【００３５】
また、半導体チップ１の上面に対するゲート電極７およびエミッタ電極８の形成後の積層形成工程および加工工程で設定される温度よりも高い温度でアニール処理を行い、半導体チップ１の上面のゲート電極７およびエミッタ電極８に対して著しく大きな応力を加えることでも、半導体チップ１に凹形状の反りを形成することができる。半導体チップ１に対する凹形状の反りの形成後、半導体チップ１の下面に対してコレクタ電極９を形成する。
【００３６】
また、図４に示すように、半導体チップ１の上面と下面とで厚みの異なるゲート電極７、エミッタ電極８およびコレクタ電極９を形成し、半導体チップ１の上面側と下面側に発生する応力の大きさの違いを利用することでも、半導体チップ１に反りを形成することができる。図４は、半導体装置の製造方法を説明するための要部断面図である。
【００３７】
図４の場合、半導体チップ１の上面に形成されたゲート電極７およびエミッタ電極８の厚みは、半導体チップ１の下面に形成されたコレクタ電極９の厚みよりも厚いため、半導体チップ１の上面側には、下面側に発生する応力よりも大きな応力が発生し、半導体チップ１に凹形状の反りを形成することができる。
【００３８】
また、凹形状に形成された絶縁基板３を金属ベース板４にセットした状態で、絶縁基板３の上面に接合材２ａを介して半導体チップ１をセットし、半導体チップ１の上面側から半導体チップ１へ圧力を加えることで半導体チップ１に凹形状の反りを形成することができる。
【００３９】
次に、半導体チップ１と絶縁基板３との接合部に配置されたバンプ１０について説明する。図５は、実施の形態１に係る半導体装置の要部断面図である。
【００４０】
図５に示すように、バンプ１０はアルミバンプであり、絶縁基板３の上面に、例えば４つ配置されている。４つのバンプ１０は、例えば半導体チップ１の下面の角部に対応する位置に位置しており、接合材２ａの接合工程において半導体チップ１が傾くことを抑制できる。
【００４１】
一般的に、半導体チップ１の絶縁基板３への搭載は接合材２ａを介して接合され、接合材２ａには半導体チップ１の発熱に伴う熱を放熱する特性が要求される。半導体チップ１を絶縁基板３の所望の位置へ接合する際、半導体チップ１の下側の接合材２ａの厚みが均一でないと、信頼性の高い半導体装置を作製することができない。さらに、半導体チップ１の接合時に半導体チップ１に傾きが生じた場合には、部分的に半導体チップ１の下側に接合材２ａが存在しない部位、すなわち、空気層が生じる。この空気層の存在により放熱性の低下が懸念される。
【００４２】
また、半導体チップ１に傾きが生じた際にも半導体チップ１の下側に接合材２ａを存在させるために、接合材２ａの量を多くした場合、接合後の接合材２ａの厚みが厚くなるため、熱抵抗が増加するという問題がある。
【００４３】
上記の問題を解決するため、図５に示すように、半導体チップ１と絶縁基板３との接合部である接合材２ａにバンプ１０を配置すること、すなわち、バンプ構造を採用することが好ましい。半導体チップ１と絶縁基板３との接合部にバンプ１０を配置することで、接合材２ａの接合工程において半導体チップ１が傾くことを抑制できる。また、半導体チップ１の高さ位置はバンプ１０の上端よりも低くならないため、半導体チップ１を安定的に接合することが可能となる。
【００４４】
バンプ１０の高さは、特に規定はないが、接合材２ａの厚みが厚いことによる熱抵抗の増加が懸念されるため、１３０μｍ以下であることが好ましい。
【００４５】
また、１つの半導体チップ１と接合材２ａに対するバンプ１０の配置位置、配置間隔、および配置する数量に関しても特に規定はないが、半導体チップ１が傾くことを抑制するためには、少なくとも３つ以上のバンプ１０が必要である。また、半導体チップ１をバランスよく均一に配置するためには、４つのバンプ１０が半導体チップ１の４つの角部に均等に配置されることが好ましい。
【００４６】
また、絶縁基板３へのバンプ１０の配置は、例えばアルミワイヤの超音波接合による接合が考えられるが、バンプ１０の役割を果たせるのであれば、他の材質または他の接合方法を用いても問題はない。
【００４７】
バンプ構造を採用しない場合、従来の半導体チップの形状である凸形状であれば、半導体チップが絶縁基板に搭載された状態で、半導体チップの角部が半導体チップの中央部と比較して絶縁基板側に近寄る傾向にある。
【００４８】
一方、実施の形態１では、半導体チップ１は凹形状であるため、半導体チップ１が絶縁基板３に搭載された状態で、半導体チップ１の角部が半導体チップ１の中央部と比較して絶縁基板３から遠ざかる傾向にある。そのため、接合材２ａの厚みが厚くなり、放熱性能の低下が懸念される。
【００４９】
バンプ構造を採用した場合、凹形状の半導体チップ１が絶縁基板３に搭載された状態で、半導体チップ１は絶縁基板３に対して傾くことが抑制されるため、安定的に接合材２ａに一定の厚みを確保することができる。そのため、信頼性の高い半導体装置を作製することが可能となる。
【００５０】
また、バンプ構造を採用した半導体装置においても、凸形状の半導体チップを搭載する場合、半導体チップの形状に起因する接合材の内部へのボイドの残留が懸念されるのに対し、凹形状の半導体チップ１においては、半導体チップ１の下側の接合材２ａの内部のボイドを半導体チップ１の側面を介して接合材２ａの外部へ効率よく排出することができる。
【００５１】
さらに、凸形状の半導体チップでは、半導体チップの下側の接合材は半導体チップの中央部で厚みが最も厚くなるのに対し、凹形状の半導体チップ１では、半導体チップ１の周縁部において接合材の厚みが最も厚くなる。半導体チップの動作時においては、半導体チップの中央部で最も熱が高くなるため、半導体チップの中央部の接合材の厚みが薄い凹形状の半導体チップを搭載した半導体装置では、放熱性が高くなり信頼性を高めることができる。
【００５２】
上記のように、凹形状の半導体チップ１に対してバンプ構造を採用することは、半導体装置の信頼性の向上にとって効果的である。しかし、半導体チップ１の凹形状の反り量が、バンプ１０の高さよりも大きいと、バンプ構造を備えたにも関わらず、半導体チップ１の最大高さ部位が絶縁基板３に着座する場合がある。この場合、バンプ構造による接合材２ａの厚みを安定化させる効果が得られない。そのため、半導体チップ１の凹形状の反り量をバンプ１０の高さよりも小さくする必要がある。具体的には、半導体チップ１の凹形状の反り量は、１μｍ以上、かつ、バンプ１０の高さ未満である。なお、半導体チップ１の凹形状の反り量とは、半導体チップ１の下面の一端点から半導体チップ１の最大高さ部位までの高さをいう。
【００５３】
半導体チップの厚みは、一般的には５００μｍ以上であり半導体チップの構造による応力が、半導体チップの反りに影響を及ぼすことは少ない。これに対し、半導体チップの厚みが１００μｍ以下の場合、半導体チップの構造に依存し、凸状の反りを生じるため、接合材の内部にボイドが残留する。半導体チップの反り量の増加は厚みが小さくなる程大きくなり、１００μｍ程度になると反り量は２００μｍに達する場合もある。そのため、実施の形態１では、半導体チップ１として、厚みが１００μｍ以下の半導体チップに採用すると効果が大きい。
【００５４】
さらに、図１、図２、図４および図５に示すように、リードフレーム５ｂがゲート電極７に接合材２ｂを介してそれぞれ接合され、かつ、リードフレーム５ｃがエミッタ電極８に接合材２ｃを介して接合されるが、冷却時に接合材２ｂ，２ｃが硬化収縮をするため、硬化収縮により半導体チップ１は、上方向に応力が生じて凸形状に形成されやすくなる。従来の半導体チップは凸形状であるため、初期より半導体チップ１の上面側に応力が生じている状態で、さらに接合時に半導体チップ１の上面側に応力が付加される。
【００５５】
これに対して、実施の形態１に係る半導体装置の半導体チップ１は凹形状に形成されているため、上方向に応力が加わっても凸形状にはならず、接合時に半導体チップ１の上面側に付加される応力が緩和されるだけでなく、放熱性にとって有利となる。
【００５６】
また、従来の凸形状の半導体チップを有する半導体装置では、接合材の濡れ広がりおよび飛散の制御が困難であり、半導体チップの上面に広がった接合材に起因して樹脂部との接着性が低下していた。
【００５７】
これに対して、実施の形態１に係る半導体装置では、上方向に応力が加わっても凸形状にはならないため、接合材２ａの濡れ広がりを抑制することができる。
【００５８】
次に、実施の形態１に係る半導体装置の評価用サンプルを用いた、半導体チップの反り量と接合材に残留するボイド数（以下、「残留ボイド数」ともいう）を評価した結果について説明する。図６は、半導体装置の半導体チップの反り量と残留ボイド数との関係図である。
【００５９】
半導体チップの評価用サンプルとして、厚み１００μｍ、縦９．８ｍｍ×横９．８ｍｍの半導体チップに凹形状の反りを形成したものを用いた。反り量は、半導体チップの上面側から三次元レーザー顕微鏡を用いて、４つの角部においてクロス状に対向する２つの角部間の直線上の高さを測定し、測定された高さの最大値から最小値を差し引いた数値を算出する。他方の２つの角部についてもこれと同様に直線上の高さを算出し、算出された２つの直線上の高さの平均値を反り量とした。
【００６０】
また、評価用サンプルの凹凸形状は、半導体チップの上面の角部に対して中央部の高さが高い場合をプラス方向すなわち凸形状とし、半導体チップの上面の角部に対して中央部が低い場合をマイナス方向すなわち凹形状とする。評価用サンプルは、反り量が＋１０μｍ、＋５μｍ、＋１μｍ、０μｍ、−１μｍ、−５μｍ、−１０μｍになるようにそれぞれ作製された。
【００６１】
また、評価用サンプルは、半導体チップを所定の反り量に反らせた後に、ＡｌＮセラミックの基板の上面および下面にＣｕ電極パターンが接合されて構成された絶縁基板３の上面に、フラックス含有のはんだにより構成された接合材を介して半導体チップを接合することで作製された。接合材による接合は、大気圧環境下でホットプレートを用いて実施された。接合材の内部の残留ボイド数は、Ｘ線透過装置により評価された。
【００６２】
残留ボイド数の評価は、接合材中の５００μｍ以上のボイドの数量をカウントしており、反り量ごとに評価用サンプルを各８サンプル評価し、その平均値で算出した。
【００６３】
図６に示すように、反り量が＋１０μｍ、および＋５μｍの凸形状の反りを有する評価用サンプルでは、接合材の内部の残留ボイド数が１０個以上であるが、反り量が＋１μｍに減少することで残留ボイド数が７個に減少し、反り量が０μｍで残留ボイド数が３個にまで減少した。また、反り量が凹反りである−１μｍの反り量を有する評価サンプルでは、残留ボイド数が１個まで減少し、それ以上の反り量ではボイド数が０個になった。
【００６４】
以上の結果より、半導体チップの凸形状の反り量が減少するほど、接合材の内部の残留ボイド数は減少し、反り量が１μｍの凹形状になることで残留ボイド数が０に近づく傾向にあることが判明した。反り量が好ましくは１μｍ以上の凹形状を有する半導体チップに形成することで、接合材の残留ボイド数を低減できることが判明し、半導体装置における接合材の残留ボイド数を減少させることで、放熱性が高く、外部応力に対する接合材の強度を高めることができる。これにより、信頼性の高い半導体装置を実現できることが判明した。
【００６５】
以上のように、実施の形態１に係る半導体装置は、凹形状の反りを有する半導体チップ１と、半導体チップ１が接合により搭載された絶縁基板３と、絶縁基板３が実装され、かつ、放熱性を有する金属ベース板４と、絶縁基板３および半導体チップ１を封止する樹脂部６と、半導体チップ１と絶縁基板３との接合部に配置されたバンプ１０とを備え、半導体チップ１の凹形状の反り量は１μｍ以上、かつ、バンプ１０の高さ未満である。
【００６６】
したがって、接合材２ａの内部に残留するボイドが接合材２の外部に抜けやすくなり、接合材２ａの内部に残留するボイドを低減することができる。
【００６７】
半導体チップ１の下側の接合材２ａの内部にボイドが混入した場合、半導体チップ１の発熱時の熱抵抗が増加する。また、接合材２ａの内部にボイドが残留した半導体装置では、半導体装置の動作時における冷熱サイクル時に、接合材２ａの内部のボイドに応力が加わることで、ボイドを起点として接合材２ａの劣化が進むため、半導体装置の長期信頼性が著しく低下してしまう。
【００６８】
実施の形態１に係る半導体装置では、接合材２ａの内部に残留するボイドを低減することができるため、接合材２ａの内部のボイドを起点とした接合材２ａの劣化を抑制できる。これにより、信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００６９】
さらに、半導体チップ１と絶縁基板３との接合部としての接合材２ａにバンプ１０が配置されたため、接合材２ａの接合工程において半導体チップ１が傾くことを抑制できる。これにより、必要な接合材２ａの厚みを確保することができ、かつ、接合材２ａに空気層が発生することを抑制できるため、接合材２ａの放熱性の低下を抑制できる。
【００７０】
半導体チップ１の凹形状の反り量は１μｍ以上、かつ、バンプ１０の高さ未満であるため、バンプ構造による接合材２ａの厚みを安定化させる効果が得られ、半導体チップ１の周縁部において接合材２ａの厚みが最も厚くなり、かつ、半導体チップ１の中央部において接合材２ａの厚みが最も薄くなる。半導体チップ１の動作時においては、半導体チップ１の中央部で最も熱が高くなるため、放熱性が高くなり、半導体装置の信頼性を高めることができる。
【００７１】
以上より、半導体装置の長期使用が可能となり、かつ、半導体装置の歩留りを向上させることができる。
【００７２】
半導体チップ１の構造により半導体チップ１の内部には上方向に応力が生じており、半導体チップ１の厚みが１００μｍ以下であると、半導体チップ１に凸形状の反りが形成されやすくなり、接合時にボイドが残留する。そのため、実施の形態１に係る半導体装置は、半導体チップ１の厚みが１００μｍ以下の場合に、ボイドの低減効果についてさらに効果的に発揮することができる。
【００７３】
図２に示すように、半導体チップ１の下面にコレクタ電極９が設けられ、半導体チップ１の上面に、コレクタ電極９の線膨張係数よりも大きな線膨張係数を有するゲート電極７およびエミッタ電極８が設けられた。また、図３に示すように、半導体チップ１の下面にコレクタ電極９が設けられ、半導体チップ１の上面に、コレクタ電極９よりも厚いゲート電極７およびエミッタ電極８が設けられた。
【００７４】
したがって、半導体チップ１の上面側に、下面側に発生する応力よりも大きな応力を発生させることで、必要な反り量を有する半導体チップ１を容易に作製することができる。
【００７５】
また、半導体チップ１の上面にゲート電極７およびエミッタ電極８が設けられ、ゲート電極７およびエミッタ電極８にリードフレーム５ｂおよびリードフレーム５ｃがそれぞれ接合された。
【００７６】
したがって、上方向に応力が加わっても凸形状にはならないため、接合材２ａの濡れ広がりを抑制することができる。
【００７７】
＜実施の形態２＞
次に、実施の形態２に係る半導体装置について説明する。図７は、実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を説明するための要部断面図である。図８は、半導体装置の半導体チップ１の平面図である。なお、実施の形態２において、実施の形態１で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。また、図７においては図面を見やすくするためにバンプ１０を省略している。
【００７８】
図７と図８に示すように、実施の形態２では、実施の形態１の場合と半導体チップ１における凹形状の反りの形成方法が異なっており、半導体チップ１の上面に、半導体チップ１の線膨張係数よりも大きな線膨張係数を有する熱硬化性樹脂層１１が設けられている。より具体的には、熱硬化性樹脂層１１は、半導体チップ１の上面におけるゲート電極７およびエミッタ電極８が設けられていない領域に設けられている。熱硬化性樹脂層１１は、液体の熱硬化性樹脂を加熱して硬化させることで形成されている。
【００７９】
なお、熱硬化性樹脂として、例えばポリイミド樹脂が用いられるが、これに限定するものではない。所望の硬化収縮率と線膨張係数に加え、所望の弾性率、耐熱性、絶縁性および接着性を有する樹脂であれば用いられることが可能である。例えば、ポリイミド樹脂の他に、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、またはアクリル樹脂等が用いられてもよい。
【００８０】
また、熱硬化性樹脂層１１を形成する熱硬化性樹脂の塗布領域については、特に限定するものではなく、半導体チップ１に対し、必要な反りを形成することができる領域であればよい。
【００８１】
熱硬化性樹脂は、塗布領域が半導体チップ１に対して狭い領域である場合、ディスペンサーを用いて塗布されるのが一般的であるが、これに限定するものではない。半導体チップ１の全面に塗布される場合は、ディッピング、スプレー塗布、または電着を用いた塗布でも問題ないが、半導体チップ１の上面におけるゲート電極７およびエミッタ電極８が設けられた領域は、マスキングなどの手法を用いて、熱硬化性樹脂を塗布しないことが望ましい。
【００８２】
熱硬化性樹脂の厚みは、半導体チップ１に対して必要な反りを形成することができれば、特に限定するものではないが、一般的に５μｍ以上必要である。熱硬化性樹脂の厚みは厚い方が半導体チップ１の反りを大きくすることができる。
【００８３】
熱硬化性樹脂は、半導体チップ１に所定の硬化温度の熱を加えることで硬化収縮を生じるが、例えば、２５０℃の硬化温度で熱硬化性樹脂を硬化させた場合、室温との差分だけ線膨張係数分の収縮が生じる。半導体チップ１の線膨張係数は、一般的に５（１０-6／Ｋ）以下であるが、熱硬化性樹脂の線膨張係数は少なくとも１５（１０-6／Ｋ）以上であることが一般的であり、多いものでは３０（１０-6／Ｋ）である。熱硬化性樹脂と半導体チップ１との線膨張係数の差分が大きいほど半導体チップ１の上面側に応力が発生し、その応力で半導体チップ１を凹形状に反らせる。
【００８４】
また、図９と図１０に示すように、半導体チップ１の反り量を大きくするためには、熱硬化性樹脂層１１は、半導体チップ１の上面に沿って一方向に延びる直線形状に形成されることが望ましい。より具体的には、熱硬化性樹脂は、半導体チップ１の上面における対向する二辺に対して半導体チップ１の上面に沿うように垂直方向に塗布されることが望ましい。図９は、実施の形態２の変形例１に係る半導体装置の半導体チップ１の平面図である。図１０は、実施の形態２の変形例２に係る半導体装置の半導体チップ１の平面図である。
【００８５】
熱硬化性樹脂は、対向する二辺に対して半導体チップ１の上面に沿うように垂直方向に塗布されることで、一定方向に応力が発生するため、半導体チップ１の反りを大きくすることが可能である。図９と図１０では、熱硬化性樹脂層１１は、５つの直線形状に形成されているが、その個数に制限を設けるものではなく、半導体チップ１の上面における周縁部の少なくとも一部が中央部よりも高い高さ位置に位置するように、半導体チップ１の形状を変化させることができる個数であればよい。
【００８６】
また、半導体チップ１の反り量は、熱硬化性樹脂の厚み、幅に依存するため、半導体チップ１の反り形状を部分的に制御する場合、２種類以上の熱硬化性樹脂が塗布されてもよい。
【００８７】
以上のように、実施の形態２に係る半導体装置では、半導体チップ１の上面に、半導体チップ１の線膨張係数よりも大きな線膨張係数を有する熱硬化性樹脂層１１が設けられた。より具体的には、熱硬化性樹脂層１１は、半導体チップ１の上面におけるゲート電極７およびエミッタ電極８が設けられていない領域に設けられた。
【００８８】
したがって、半導体チップ１の上面側に大きな応力を発生させることで、必要な反り量を有する半導体チップ１を容易に作製することができる。
【００８９】
熱硬化性樹脂層１１は、半導体チップ１の上面に沿って一方向に延びる直線形状に形成された。したがって、半導体チップ１の上面において一定方向に応力が発生するため、半導体チップ１の反りを大きくすることが可能である。
【００９０】
この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
【００９１】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００９２】
１  半導体チップ、３  絶縁基板、４  金属ベース板、５ｂ，５ｃ  リードフレーム、６  樹脂部、７  ゲート電極、８  エミッタ電極、９  コレクタ電極、１０  バンプ、１１  熱硬化性樹脂層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【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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