(57)【要約】【課題】半導体チップの外周部も含めて放熱できる半導体装置を提供する。【解決手段】半導体基板３の表面層にアノード領域４を形成し、半導体基板３の外周部に絶縁膜６を形成し、アノード領域４上と絶縁膜６上にひさし部７ａを有するアノード電極７を形成し、ひさし部７ａを含めたアノード電極７と金属部品１を第１はんだ層９を介して固着する。金属部品１の面積Ｓ３を、前記のアノード領域４の面積Ｓ１より大きく前記アノード電極より小さくすることで、半導体チップの外周部も含めて放熱でき、また良好なはんだのフィレットとすることができて、はんだによる固着強度を増強することができる。【選択図】        図１
2007027308.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップと、該半導体チップの第１主面上に該半導体チップの活性領域を取り囲んで形成される絶縁膜と、前記活性領域上から前記第１絶縁膜上に延在するひさし部を有する第１主電極と、前記半導体チップの第２主面側に形成される第２主電極と、前記ひさし部を含む前記第１主電極とはんだを介して固着される導体と、を有する半導体装置であって、前記はんだが接触する側の前記導体の平坦面の面積が、前記活性領域の面積より大きく前記ひさし部を含む第１主電極の面積より小さいことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記半導体チップの前記第１主面上に該第１主電極と離して形成される制御電極を有す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】
前記ひさし部の幅が前記はんだの厚さより大きいことを特徴とする請求項１〜２のいずれか一項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ダイオードやＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などの半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体チップを収納したパッケージの外部取り出し電極（外部導出端子）と、半導体チップとの接続にはアルミ線や金線によるワイヤボンディングが多用されてきた。
パワー半導体モジュールにおいては、半導体チップの裏面側の主電極（裏面電極）は、はんだなどのろう材で支持基板に固着され、一方、半導体チップの表面側の主電極（表面電極）やゲート電極パッドは、アルミワイヤや金ワイヤによるワイヤボンディングでパッケージの外部取り出し電極と接続する。チップサイズが大きくなると半導体チップの表面側の主電極と接続するこのワイヤの本数が増加し、主電極とワイヤとの接続箇所での耐ヒートサイクル性や耐パワーサイクル性の低下が懸念される。また近年、より高温環境での使用などに耐えるように、半導体装置にはさらなる高い信頼性が要求されるようになってきた。
【０００３】
パッケージとしての信頼性向上を考慮し、ワイヤボンディングに変わる方法として銅箔やアルミ箔などの金属箔が接続導体として用いられる。これにより半導体チップの主電極と接続導体の接合面積を増加させ、接合部での温度上昇を抑制して、耐ヒートサイクル性や耐パワーサイクル性の向上が図られ、さらに、この金属箔を用いることにより、抵抗やインダクタンスの低減などによる素子特性の向上も同時に図られている。
図５は、従来の半導体装置の構成図であり、同図（ａ）は要部平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図である。また、図６は、図５（ｂ）のＣ部拡大図である。この半導体装置はダイオードである。
半導体チップ５２の裏面側からだけでなく、半導体チップ５２の表面側の主電極であるアノード電極５７に、この数μｍのアノード電極５７の厚さよりはるかに厚い数百μｍ〜数ｍｍのオーダの金属部品５１を固着することで、半導体チップ５２の表面側からも放熱できる場合を示している。
【０００４】
通常、表面側のアノード電極５７の周辺には、耐圧を維持するためのガードリング５５のような耐圧構造７２が配置される。アノード電極５７と金属部品５１との固着ははんだ材を供給して形成される第１はんだ層５９で行われる。また耐圧構造７２箇所は絶縁膜５６やポリイミド樹脂などの保護膜６１で覆われているので、この箇所でははんだの濡れ性がよくなく、はんだは広がらない。
半導体チップ５２は、通電するとエネルギー損失を発生し発熱する。この主な発熱箇所は活性領域７１であるアノード領域５４であり、パッケージはこの発熱を外部に効率よく放熱できるように設計される。
図６に示すように、アノード電極５７はアノード領域５４に接続され、アノード領域５４の周囲は耐圧構造７２で囲まれ、この耐圧構造７２の表面は絶縁膜５６で被覆されている。アノード領域５４上に形成されるアノード電極５７の端部はウエハプロセスや耐圧特性を考慮して、絶縁膜５６に乗り上げている。半導体チップ５２において、アノード領域５４が垂直投影された領域がダイオードの活性領域７１となり、主な発熱箇所となる。この半導体装置においては、金属部品１の面積Ｓ５は活性領域７１（アノード領域５４）の面積Ｓ４より小さい。勿論、アノード電極５７より小さい。
【０００５】
尚、図中の５３は半導体基板、６０ははんだのフィレット、６５は支持基板、６６は支持基板６５と半導体チップ５２の裏面を固着する第２はんだ層である。
このように、半導体チップでの発熱を効率よく放散するため、半導体チップの裏面側からだけでなく、表面側からも放熱を図るため、半導体チップの表面側の主電極に、厚い導体（金属部品）を固着した半導体装置として、例えば特許文献１に記載のものがある。
また、ＩＧＢＴにおいて、耐圧構造およびゲート電極のそれぞれとエミッタ電極の間に絶縁シートを貼着し、絶縁シートで囲まれたエミッタ電極やゲート電極とはんだを介して銅配線を固着することで、耐圧構造と銅配線との絶縁性、エミッタ電極とゲート電極の間の絶縁性を良好に確保できることが開示されている（例えば、特許文献２）。
【特許文献１】特開２００１−３３２６６４号公報
【特許文献２】特開２００３−２１８３０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、図５および図６に示すように、半導体チップ５２の裏面側の放熱は、半導体チップ５２の裏面全面から第２はんだ層６６および支持基板６５を通して行われる。これに対し、表面側からの放熱は、金属部品５１を通して行われる。金属部品５１は半導体チップ５２の活性領域７１の面積より小さいため、金属部品５１から外れた半導体チップ５２の外周部で発生した熱は十分放散できない。
また、前記の特許文献１では、金属部品である導体とはんだを介して接続する主電極であるエミッタ電極が複数個ある場合であり、主電極が単一の場合についての説明はない。また、主電極の大きさと金属部品である導体の大きさの関係についても説明されていない。
また、前記の特許文献２では、エミッタ電極とゲート電極パッドの間に形成された絶縁シートでエミッタ電極とゲート電極パッドの間を絶縁することは記載されているが、放熱に関する説明がなく、また、エミッタ電極の大きさと銅配線の大きさの関係についても説明がない。
【０００７】
この発明の目的は、前記の課題を解決して、半導体チップの外周部も含めて放熱できる半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記の目的を達成するために、半導体チップと、該半導体チップの第１主面上に該半導体チップの活性領域を取り囲んで形成される絶縁膜と、前記活性領域上から前記第１絶縁膜上に延在するひさし部を有する第１主電極と、前記半導体チップの第２主面側に形成される第２主電極と、前記ひさし部を含む前記第１主電極とはんだを介して固着される導体（ヒートスプレッダーもしくはリードフレームの半導体チップ搭載台など）と、を有する半導体装置であって、前記はんだが接触する側の前記導体の平坦面の面積が、前記活性領域の面積より大きく前記ひさし部を含む第１主電極の面積より小さい構成とする。
また、前記半導体チップの前記第１主面上に該第１主電極と離して形成される制御電極を有する構成とする。
また、良好なはんだのフィレットを形成するために、前記ひさし部の幅を前記はんだの厚さより大きくするとよい。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によると、金属部品の面積を半導体チップの活性領域の面積より大きくし、半導体チップの主電極の面積より小さくすることで、はんだ層を介して金属部品と主電極を良好に固着でき、半導体チップの外周部も含めて効率よく放熱することができる。
半導体チップの外周部も含めて効率よく放熱することができることで、放熱効率の高い半導体装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
実施の形態については、つぎの実施例で説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１は、この発明の第１実施例の半導体装置の構成図であり、同図（ａ）は要部平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図である。この半導体装置はダイオードの場合である。
半導体基板３の表面層にアノード領域４を形成し、半導体基板３の外周部に耐圧構造２２を構成する絶縁膜６を形成し、アノード領域４上と絶縁膜６上にひさし部７ａを有するアノード電極７を形成する。ひさし部７ａは絶縁膜６上に張り出したアノード電極７である。アノード電極７と金属部品１を第１はんだ層９を介して固着する。第１はんだ層９の上部は金属部品１の裏面全面と固着し、第１はんだ層９の下部はアノード電極７のほぼ全面と固着する。半導体基板３の裏面側には図示しないカソード領域とこのカソード領域と接続するカソード電極が形成され、このカソード電極と、配線パターンが形成されたセラミックス基板などの支持基板１５は第２はんだ層１６を介して固着する。前記のアノード領域４を垂直投影した箇所が活性領域２１であり、この活性領域２１を取り囲む半導体基板２の外周部が耐圧構造２２である。前記の第１はんだ層９と前記の第２はんだ層１６による固着はリフロー炉を用いて同時に行われる。また、はんだの塗布方法としては、金属マスクを用いてはんだペーストを所定の範囲に塗布する方法や半導体チップ２の表面にディスペンサーを用いて部分的に塗布する方法がある。
【００１２】
前記の金属部品１は、熱を伝導・拡散するための四角形の厚い導電ブロックの冷却体であるヒートスプレッダーまたはチップと固着するリードフレームなどの導体である。この金属部品１とパッケージの外部引き出し導体との接続は図示しないワイヤや接続導体などで行う。
また、前記のアノード電極７は一般的なアルミ系電極の表面に、はんだの接合性（密着性や濡れ性）を考慮して、図示しないシード層としてニッケル膜や金膜が形成される。これらの膜は、主に無電解メッキで形成されるが、電解メッキ、スッパタリングまたは蒸着などで形成しても良い。
後述の図２で示すように、前記の金属部品１の面積Ｓ３（第１はんだ層９と接触する側の平坦面の面積）を、前記の活性領域２１（アノード領域４）の面積Ｓ１より大きく、前記のひさし部７ａを含むアノード電極７の面積Ｓ２より小さくする。
【００１３】
図２は、図１（ｂ）のＡ部拡大図である。耐圧構造２２の箇所では、半導体基板３の表面層にガードリング５が形成され、表面は絶縁膜６で被覆され、開口部を介してガードリング５と金属膜８が接続している。また、絶縁膜６上に保護膜としてポリイミド膜１１を被覆する場合もある。
前記したように、耐圧構造２２の絶縁層６の上に張り出すように、半導体チップ２のアノード電極７をひさし状（ひさし部７ａ）に形成し、このアノード電極７の面積Ｓ２を半導体チップ２の活性領域２１の面積Ｓ１より大きくする。金属部品１の面積Ｓ３（平坦部の面積）を半導体チップ２の活性領域２１の面積Ｓ１より大きくし、絶縁層６上に張り出すように形成されたアノード電極７の面積Ｓ２より小さくする。この金属部品１とアノード電極７をはんだ層９を介して固着する。
【００１４】
このように、主な発熱箇所である活性領域２１（アノード領域４）の面積Ｓ１より広い面積（Ｓ３）の金属部品１が固着されることにより、半導体チップ２の外周部も含めて金属部品１を介して効率よく放熱することができる。
信頼性特性を考慮し金属部品１周辺にフィレット１０を形成する場合、例えば４５°の傾斜をもつ第１はんだ層９のフィレット１０を金属部品１の周辺に形成しようとすると、フィレット１０高さ程度の濡れ広がりの余裕をもった幅を、アノード電極７のひさし部７ａに持たせれば良好なフィレット１０を形成できる。これは、金属部品１の面積Ｓ３にひさし部７ａの面積を足した面積になるようにアノード電極７の面積Ｓ２を決めるとよい。つまり、金属部品１の面積Ｓ３よりアノード電極７の面積Ｓ２を大きくする。
例えば高さ２００μｍのフィレット１０を形成するような場合、金属部品１の端から２００μｍ以上の余裕をもたせ、アノード電極７のひさし部７ａの幅Ｗを決定すれば良好なフィレット１０が得られ、第１はんだ層９による固着が強化されて接合信頼性を向上させることができる。つまり、第１はんだ層９の厚さＴよりひさし部７ａの幅Ｗを大きくするとよい。
【００１５】
逆に、フィレット１０形成をあまり考慮しないのであれば、ひさし状部７ａの幅Ｗは広く取る必要はない。この場合でも金属部品１の面積Ｓ３を、アノード領域４の面積Ｓ１より大きく、アノード電極７の面積Ｓ２より小さくする。
一般的に絶縁膜６は厚さが数μｍ程度であり、アノード電極７の表面はこれに対応した段差が形成される。しかし、固着部分の信頼性を確保するには、第１はんだ層９の厚さは５０μｍから１００μｍ以上を必要とするようになり、アノード電極７の表面の数μｍ程度の段差により第１はんだ層９の密着性が低下するなどの問題は発生しない。
アノード電極７のひさし部７ａの端付近から、絶縁膜６（耐圧構造２２）にかけてポリイミド膜１１などでコーティングすることにより、第１はんだ層９の絶縁膜６への濡れ広がりを抑制することができる。
【００１６】
このように、金属部品１の面積Ｓ３（平坦部の面積）を半導体チップ２の活性領域２１の面積Ｓ１より大きくし、ひさし部７ａを有するアノード電極７の面積Ｓ２より小さくすることで、第１はんだ層９を介して金属部品１とアノード電極７を良好に固着でき、半導体チップ２の外周部も含めて効率よく放熱することができる。例えば、第１はんだ層９の厚さが５０μｍ〜１００μｍの場合、ひさし部７ａの幅を５０μｍ〜１００μｍとすることで、第１はんだ層９のフィレット１０を良好にすることができる。フィレット１０を良好にすることで、金属部品１と半導体チップ２の接着強度が増強され、接合信頼性を向上させることができる。
【実施例２】
【００１７】
図３は、この発明の第２実施例の半導体装置の構成図であり、同図（ａ）は要部平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図である。
また、図４は、図３（ｂ）のＢ部拡大図である。この半導体装置は、ゲート電極を有する半導体装置であり、ここではＩＧＢＴを例に挙げた。
金属部品３１にはゲート電極パッド４０を避けるように切り込みが形成されている。このゲート電極４０の周辺もフィレット１０が形成される程度、分離層６ａ上に乗り上げるエミッタ電極３のひさし部３７ｂを形成しておく。分離層６ａはウェル領域３４とゲート電極パッド４０の間の絶縁を確保するために形成した絶縁膜である。
第１実施例と同様に、フィレット１０の形成をあまり考慮しないのであれば、ひさし部３７ａの幅は広く取る必要はない。前記の金属部品３１の面積Ｓ３（平坦部の面積）を活性領域２１の面積Ｓ１より大きくエミッタ電極３７の面積Ｓ２より小さくする。
【００１８】
一般的に絶縁膜６と分離層６ａの厚さは数μｍ程度であり、エミッタ電極３７の表面にこれに対応した段差が形成される。しかし、固着部分の信頼性を確保するには、第１はんだ層９の厚さは５０μｍから１００μｍ以上を必要とするようになり、エミッタ電極３７の表面の数μｍの段差は前記したいように問題とならない。
エミッタ電極３７のひさし部３７ａ、３７ｂの端付近から、絶縁膜６および分離層６ａの露出部をポリイミド膜４２などでコーティングすることにより、はんだの濡れ広がりを抑制することができる。
このように、主発熱部分である活性領域２１（最外周のウェル領域３４で囲まれた領域）より広い面積で金属部品３１を固着するこにより、半導体チップ３２の外周部を含めて金属部品３１を介して効率よく放熱することができる。
【００１９】
尚、図中の３５はエミッタ領域、３６はゲート絶縁膜、４０ａはゲート電極、４１は層間絶縁膜である。ゲート電極４０ａとゲート電極パッド４０とは図示しないゲート配線により接続する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】この発明の第１実施例の半導体装置の構成図であり、（ａ）は要部平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図
【図２】図１（ｂ）のＡ部拡大図
【図３】この発明の第２実施例の半導体装置の構成図であり、（ａ）は要部平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図
【図４】図３（ｂ）のＢ部拡大図
【図５】従来の半導体装置の構成図であり、（ａ）は要部平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図
【図６】図５（ｂ）のＣ部拡大図
【符号の説明】
【００２１】
１、３１  金属部品
２、３２  半導体チップ
３、３３  半導体基板
４    アノード領域
５    ガードリング
６    絶縁膜
６ａ  分離層
７    アノード電極
７ａ、３７ａ、３７ｂ  ひさし部
８    金属膜
９    第１はんだ層
１０    フィレット
１１、４２  ポリイミド膜
１５    支持基板
１６    第２はんだ層
２１    活性領域
２２    耐圧構造
３４    ウェル領域
３５    エミッタ領域
３６    ゲート酸化膜
３７    エミッタ電極
４０    ゲート電極パッド
４０ａ  ゲート電極
４１    層間絶縁膜
【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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