(57)【要約】【課題】半導体チップと基板との間の基板側はんだによる接合部の厚さを均一に規定するためのはんだ厚さ規定部材を基板側はんだ内に有する半導体装置において、基板側はんだによる接合部の厚さを均一に保ちつつ、はんだ厚さ規定部材を起点として発生するボイドによる半導体チップ割れを抑制することができる半導体装置および半導体装置の製造方法を得る。【解決手段】絶縁層の両面にはんだ接合可能な導体層を有する基板と、基板の導体層上にはんだ接合された半導体チップと、半導体チップ上にはんだ接合された電極と、を備え、半導体チップの一面は、基板の導体層に、はんだ接合部の厚さを均一にするためのはんだ厚さ規定部材を有する基板側はんだにより接合された半導体装置であって、はんだ厚さ規定部材は、半導体チップを隔てた反対側に電極側はんだが存在しない領域に配置される。【選択図】図１
2016111031.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁層の両面にはんだ接合可能な導体層を有する基板と、
前記基板の前記導体層上にはんだ接合された半導体チップと、
前記半導体チップ上にはんだ接合された電極と、
を備え、
前記半導体チップの一面は、前記基板の前記導体層に、はんだ接合部の厚さを均一にするためのはんだ厚さ規定部材を有する基板側はんだにより接合され、前記半導体チップの他面は、前記電極に、電極側はんだにより接合された半導体装置であって、
前記基板側はんだによる接合部は、前記半導体チップを隔てた反対側に前記電極側はんだが存在する第１の領域と、前記第１の領域の両端側への延長領域であって前記半導体チップを隔てた反対側に前記電極側はんだが存在しない第２の領域とを有し、
前記はんだ厚さ規定部材は、前記第２の領域に配置される
半導体装置。
【請求項２】
前記はんだ厚さ規定部材は、前記第２の領域のうち、前記第１の領域の端部から前記はんだ厚さ規定部材の厚さの２倍以上離れた位置に配置される
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記はんだ厚さ規定部材は、銅ワイヤである
請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記はんだ厚さ規定部材は、前記基板の前記導体層に金属接合によって固着されている
請求項２または３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記はんだ厚さ規定部材は、前記基板の前記導体層上に設けられた溝に固定されている
請求項２または３に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記はんだ厚さ規定部材は、前記基板の前記導体層に、前記導体層と一体形成された突起である
請求項２に記載の半導体装置。
【請求項７】
絶縁層の両面にはんだ接合可能な導体層を有する基板の前記導体層上に、半導体チップを、はんだ接合部の厚さを均一にするためのはんだ厚さ規定部材を有する基板側はんだを用いて接合する半導体チップ接合ステップと、
前記半導体チップ上に電極をはんだ接合する電極接合ステップと、
を有する半導体装置の製造方法であって、
前記半導体チップ接合ステップは、
前記基板側はんだによる接合部を、前記半導体チップを隔てた反対側に前記電極側はんだが存在する第１の領域と、前記第１の領域の両端側への延長領域であって前記半導体チップを隔てた反対側に前記電極側はんだが存在しない第２の領域とを有するようにはんだ接合するステップと、
前記はんだ厚さ規定部材を、前記第２の領域に配置するステップと、
を有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、半導体チップの一面が基板に、他面が電極にそれぞれはんだ接合され、半導体チップと基板との間の基板側はんだによる接合部の厚さを均一に規定するためのはんだ厚さ規定部材を基板側はんだ内に有する半導体装置および半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置を実際に使用する場合には、一般に、半導体装置に電力を供給する電源のオンおよびオフがなされるが、これに伴い半導体装置には電流等による温度変化が生じる。そして、このような温度変化によって、半導体装置のはんだ接合部には、半導体装置の各構成部材の線膨張係数の違いによるひずみが生じ、亀裂が発生および進展して熱的および電気的信頼性が著しく低下してしまう。
【０００３】
このような、亀裂の発生および進展を抑制する方法として、はんだ接合部を厚く形成することが一般によく知られている。しかし、半導体チップや基板等の比較的大きなはんだ接合面積を有する部材では、はんだ接合部を厚くしようとしてもはんだ接合部の厚さが均一にならず半導体チップや基板等に傾きが生じてしまう。このため、供給するはんだ量を増やしてもはんだ接合部の薄い部分が発生してしまうので、亀裂発生に対する余裕度を高める効果が制限されてしまうという課題があった。
【０００４】
そこで、はんだ接合部の厚さを均一にするために、ワイヤバンプと呼ばれる金属ワイヤ等のはんだ厚さ規定部材をはんだに複数個挿入し、金属ワイヤのワイヤ径によってはんだ接合部の厚さを制御することが一般に行われている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１１５２０６号公報
【特許文献２】特開２０１０−２４５２１２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、従来技術には、以下のような課題がある。
はんだに挿入される金属ワイヤは、はんだ接合部の厚さを均一に制御できる一方で、はんだ中に発生する気泡（以下、「ボイド」と呼ぶ）の発生起点になりやすい。そして、はんだ中にボイドが発生した場合には、放熱性の悪化や熱応力の集中といった悪影響が生じてしまう。特に、半導体チップに接するはんだ中にボイドが発生し、温度変化による熱応力が集中した場合には脆性材料である半導体チップが割れるということが起こりうる。
【０００７】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、半導体チップの一面が基板に、他面が電極にそれぞれはんだ接合され、半導体チップと基板との間の基板側はんだによる接合部の厚さを均一に規定するためのはんだ厚さ規定部材を基板側はんだ内に有する半導体装置において、基板側はんだによる接合部の厚さを均一に保ちつつ、はんだ厚さ規定部材を起点として発生するボイドによる半導体チップ割れを抑制することができる半導体装置および半導体装置の製造方法を得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、絶縁層の両面にはんだ接合可能な導体層を有する基板と、基板の導体層上にはんだ接合された半導体チップと、半導体チップ上にはんだ接合された電極と、を備え、半導体チップの一面は、基板の導体層に、はんだ接合部の厚さを均一にするためのはんだ厚さ規定部材を有する基板側はんだにより接合され、半導体チップの他面は、電極に、電極側はんだにより接合された半導体装置であって、基板側はんだによる接合部は、半導体チップを隔てた反対側に電極側はんだが存在する第１の領域と、第１の領域の両端側への延長領域であって半導体チップを隔てた反対側に電極側はんだが存在しない第２の領域とを有し、はんだ厚さ規定部材は、第２の領域に配置されるものである。
【０００９】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、絶縁層の両面にはんだ接合可能な導体層を有する基板の導体層上に、半導体チップを、はんだ接合部の厚さを均一にするためのはんだ厚さ規定部材を有する基板側はんだを用いて接合する半導体チップ接合ステップと、半導体チップ上に電極をはんだ接合する電極接合ステップと、を有する半導体装置の製造方法であって、半導体チップ接合ステップは、基板側はんだによる接合部を、半導体チップを隔てた反対側に電極側はんだが存在する第１の領域と、第１の領域の両端側への延長領域であって半導体チップを隔てた反対側に電極側はんだが存在しない第２の領域とを有するようにはんだ接合するステップと、はんだ厚さ規定部材を、第２の領域に配置するステップと、を有するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明では、半導体チップの一面が基板に、他面が電極にそれぞれはんだ接合され、半導体チップと基板との間の基板側はんだによる接合部の厚さを均一に規定するためのはんだ厚さ規定部材を基板側はんだ内に有する半導体装置において、はんだ厚さ規定部材を、基板側はんだによる接合部のうち、半導体チップを隔てた反対側に電極側はんだが存在しない領域に配置するようにしている。
【００１１】
この結果、基板側はんだによる接合部の厚さを均一に保ちつつ、はんだ厚さ規定部材を起点として発生するボイドによる半導体チップ割れを抑制することができる半導体装置および半導体装置の製造方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【図２】はんだ厚さ規定部材の真上に電極側はんだが存在する場合の、半導体チップの変形を模式的に示す断面図である。
【図３】はんだ厚さ規定部材の真上に電極側はんだが存在しない場合の、半導体チップの変形を模式的に示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の基板側はんだによる接合部における、温度変化に伴うボイドの発生位置と曲げ応力の大きさとの関係のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図５】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の基板側はんだによる接合部における、ボイドの発生位置Ｘおよびはんだ厚さ規定部材の厚さｔを示す半導体チップ近傍の拡大断面図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る半導体装置の構成を示す半導体チップ近傍の拡大断面図である。
【図７】本発明の実施の形態３に係る半導体装置の構成を示す半導体チップ近傍の拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明における半導体装置および半導体装置の製造方法の好適な実施の形態について図面を用いて説明する。なお、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。
【００１４】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１００の構成を示す断面図である。図１に示す本実施の形態１の半導体装置１００は、半導体チップ１、基板２、および電極３、金属板４を備えて構成される。
【００１５】
基板２は、セラミックスからなる絶縁層２０の両面にはんだ接合可能な導体層２１を有しており、基板２の下側の導体層２１は、ヒートシンクとしての金属板４に、はんだ１４により接合されている。
【００１６】
また、半導体チップ１の一面（図１では下面）は、基板２の上側の導体層２１に、基板側はんだ１２により接合されている。また、半導体チップ１の他面（図１では上面）は、電極３に、電極側はんだ１３により接合されている。
【００１７】
ここで、半導体装置１００の基板側はんだ１２は、反対側の電極側はんだ１３と比較して面積が大きいため温度変化による熱応力の影響を受けやすい。そこで、基板側はんだ１２には、基板側はんだ１２による接合部の厚さを均一にするためのはんだ厚さ規定部材１０が導入されている。
【００１８】
図２は、はんだ厚さ規定部材１０の真上に電極側はんだ１３が存在する場合の、半導体チップ１の変形を模式的に示す断面図である。以下の説明では、基板側はんだ１２による接合部のうち、半導体チップ１を隔てた反対側（図２では真上）に電極側はんだ１３が存在する領域を「第１の領域」と呼ぶ。
【００１９】
はんだ厚さ規定部材１０は、基板側はんだ１２による接合部の厚さを、はんだ厚さ規定部材１０の厚さｔに均一に制御できる一方で、基板側はんだ１２中に発生するボイド１１の発生起点になりやすい。基板側はんだ１２にボイド１１が発生すると、ボイド１１が温度変化による熱応力を緩衝するため、ボイド１１直上の半導体チップ１の下部領域は熱応力による負荷がほとんど作用しない特異領域となり、図２に示すように、ボイド１１の真上の半導体チップ１の領域では、電極側はんだ１３側からの応力が相対的に大きく作用してしまう。この結果、基板側はんだ１２の第１の領域では、半導体チップ１に曲げ応力が生じて、脆性材料である半導体チップ１が割れることがある。
【００２０】
図３は、はんだ厚さ規定部材１０の真上に電極側はんだ１３が存在しない場合の、半導体チップ１の変形を模式的に示す断面図である。以下の説明では、基板側はんだ１２による接合部のうち、第１の領域の両端側への延長領域であって、半導体チップ１を隔てた反対側（図３では真上）に電極側はんだ１３が存在しない領域を「第２の領域」と呼ぶ。図３には、基板側はんだ１２のうち、第１の領域と、第１の領域の右側の第２の領域とが接する部分を拡大して示している。
【００２１】
本実施の形態１では、図３に示すように、ボイド１１の発生起点となりやすいはんだ厚さ規定部材１０を、基板側はんだ１２の第２の領域に配置することにより、基板側はんだ１２の第１の領域にボイド１１が発生することを抑制している。この結果、曲げ応力によって半導体チップ１が割れることを抑制することができる。
【００２２】
また、基板側はんだ１２の第２の領域にボイド１１が発生したとしても、第２の領域では、もともと電極側はんだ１３側の応力が存在しないため、電極側はんだ１３側にも基板側はんだ１２にも応力が発生せず、曲げ応力によって半導体チップ１が割れることを抑制できる。
【００２３】
図４は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１００の基板側はんだ１２による接合部における、温度変化に伴うボイド１１の発生位置Ｘと曲げ応力σの大きさとの関係のシミュレーション結果を示すグラフである。また、図５は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１００の基板側はんだ１２による接合部における、ボイド１１の発生位置Ｘおよびはんだ厚さ規定部材１０の厚さｔを示す半導体チップ１近傍の拡大断面図である。
【００２４】
図５に示すように、基板側はんだ１２による接合部における、ボイド１１の発生位置Ｘは、基板側はんだ１２の第１の領域の端部から、第２の領域におけるボイド１１の端部までの距離として定義される。
【００２５】
また、図４の横軸Ｚは、ボイド１１の発生位置Ｘを、はんだ厚さ規定部材１０の厚さｔで割ることで正規化した正規化距離Ｚ＝Ｘ／ｔである。また、図４の縦軸σは、正規化距離Ｚの位置にボイド１１が存在する場合に半導体チップ１に発生する最大応力を、遠方にボイド１１が存在する場合の半導体チップ１に発生する最大応力で割ることで正規化した正規化最大応力σである。
【００２６】
シミュレーションは、半導体チップ１の厚さと、基板側はんだ１２による接合部の厚さを規定するはんだ厚さ規定部材１０の厚さｔとの比が、１：１、２：１、１：２の、３つの条件において実施した。また、ボイド１１の高さは、はんだ厚さ規定部材１０の厚さｔと同じｔとし、ボイド１１の幅は４／３ｔとした。
【００２７】
図４に示すシミュレーション結果より、半導体チップ１の厚さとはんだ厚さ規定部材１０の厚さｔの比が１：１、２：１、１：２のいずれの場合においても、正規化最大応力σは、正規化距離Ｚが２以上でほぼ１となり、ボイド１１が遠方に存在するときと同等の曲げ応力となることが分かる。
【００２８】
すなわち、はんだ厚さ規定部材１０は、基板側はんだ１２による接合部の第１の領域の端部から、はんだ厚さ規定部材１０の厚さｔの２倍以上離れた位置に配置することによって、はんだ厚さ規定部材１０を起点として発生するボイド１１による半導体チップ１の曲げ応力を抑制して、半導体チップ１の割れを抑制する効果が得られる。
【００２９】
なお、はんだ厚さ規定部材１０に使用する材料としては、はんだに濡れやすく、ボイド１１の発生を抑制できる銅が適しているが、必ずしも銅に限定されるものではない。はんだ厚さ規定部材１０に使用する材料は、融点がはんだの融点以上であり、高温に晒されることによっても剛性が低下せず、はんだ厚さを保持できるものであればよい。
【００３０】
また、はんだ厚さ規定部材１０の形状としては、ワイヤ径によってはんだ厚さを規定するワイヤ片がコスト面で優れているが、厚さを制御できるものであれば角柱等であってもよい。
【００３１】
また、はんだ厚さ規定部材１０として金属を用いる場合には、はんだ厚さ規定部材１０を、基板２の上側の導体層２１に金属接合によって固着させることにより、基板側はんだ１２が溶融中にはんだ厚さ規定部材１０が位置ずれすることを防止することができる。
【００３２】
これにより、はんだ厚さ規定部材１０を、正規化距離Ｚが２以上となるように基板２の上側の導体層２１に正確に配置することができるので、はんだ厚さ規定部材１０を起点としたボイド１１による半導体チップ１割れを抑制して、信頼性の高いはんだ接合を実現することができる。
【００３３】
次に、本実施の形態１の半導体装置１００の製造方法について、図５を用いて説明する。
【００３４】
１．半導体チップ接合ステップ：
まず、基板２の上側の導体層２１上に、半導体チップ１を、はんだ接合部の厚さを均一にするためのはんだ厚さ規定部材１０を有する基板側はんだ１２を用いて接合する。
【００３５】
２．電極接合ステップ：
次に、半導体チップ１上に電極３をはんだ接合する。
【００３６】
ここで、半導体チップ接合ステップにおいては、基板側はんだ１２による接合部を、半導体チップ１を隔てた反対側に電極側はんだ１３が存在する第１の領域と、第１の領域の両端側への延長領域であって半導体チップ１を隔てた反対側に電極側はんだ１３が存在しない第２の領域とを有するようにはんだ接合するとともに、はんだ厚さ規定部材１０は、第２の領域に配置するようにする。
【００３７】
以上のように、実施の形態１では、半導体チップの一面が基板に、他面が電極にそれぞれはんだ接合され、半導体チップと基板との間の基板側はんだによる接合部の厚さを均一に規定するためのはんだ厚さ規定部材を基板側はんだ内に有する半導体装置において、はんだ厚さ規定部材を、基板側はんだによる接合部のうち、半導体チップを隔てた反対側に電極側はんだが存在しない第２の領域に配置するようにしている。
【００３８】
また、はんだ厚さ規定部材を、基板側はんだによる接合部のうち、半導体チップを隔てた反対側に電極側はんだが存在する第１の領域の端部からはんだ厚さ規定部材の厚さの２倍以上離れた位置に配置するようにしている。
【００３９】
この結果、基板側はんだによる接合部の厚さを均一に保ちつつ、はんだ厚さ規定部材を起点として発生するボイドによる半導体チップ割れを抑制することができる半導体装置および半導体装置の製造方法を得ることができる。
【００４０】
なお、以上の説明では、半導体装置１００として、金属板４の上面に、基板２、半導体チップ１、電極３が形成された構成を示したが、本実施の形態１はこのような構成に限定されるものではない。例えば、金属板４の両面に、基板２、半導体チップ１、および電極３がそれぞれ接合された構成であっても同様の効果が得られる。
【００４１】
実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置１００の構成を示す半導体チップ１近傍の拡大断面図である。図６に示す本実施の形態２の半導体装置１００は、先の実施の形態１の図５と比較して、基板２の上側の導体層２１に、はんだ厚さ規定部材１０を固定するための溝１６が設けられている点が異なっている。その他の構成は先の図５と同じである。
【００４２】
このような本実施の形態２の半導体装置によれば、はんだ厚さ規定部材は、基板の導体層上に設けられた溝に固定されているので、基板側はんだが溶融中にはんだ厚さ規定部材が位置ずれすることを防止することができる。
【００４３】
この結果、はんだ厚さ規定部材を、正規化距離Ｚが２以上となるように基板の導体層に正確に配置することができるので、はんだ厚さ規定部材を起点としたボイドによる半導体チップ割れを抑制して、信頼性の高いはんだ接合を実現することができる。
【００４４】
なお、この方法では、はんだ厚さ規定部材１０の厚さｔは、溝１６の深さと所望の基板側はんだ１２による接合部の厚さの和とする必要がある。
【００４５】
実施の形態３．
図７は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置１００の構成を示す半導体チップ１近傍の拡大断面図である。図７に示す本実施の形態３の半導体装置１００は、先の実施の形態１の図５と比較して、基板２の上側の導体層２１に、はんだ厚さ規定部材１０としての突起が設けられている点が異なっている。その他の構成は先の図５と同じである。
【００４６】
このような本実施の形態３の半導体装置によれば、はんだ厚さ規定部材は、基板の導体層の突起として、導体層と一体形成されているので、基板側はんだが溶融中にはんだ厚さ規定部材が位置ずれすることを完全に防止することができる。
【００４７】
この結果、はんだ厚さ規定部材を、正規化距離Ｚが２以上となるように基板の導体層に正確に配置することができるので、はんだ厚さ規定部材を起点としたボイドによる半導体チップ割れを抑制して、信頼性の高いはんだ接合を実現することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１  半導体チップ、２  基板、３  電極、４  金属板、１０、１０ｂ  はんだ厚さ規定部材、１１  ボイド、１２  基板側はんだ、１３  電極側はんだ、１４  はんだ、１６  溝、２０  絶縁層、２１  導体層、１００  半導体装置。
【図１】
2016111031.tif 000003
【図２】
2016111031.tif 000004
【図３】
2016111031.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2016111031.tif 000009