(57)【要約】【課題】半導体チップの変形を抑制できる技術を提供する。【解決手段】半導体装置１は、半導体チップ１０と、半導体チップ１０に第１接合材４１を介して接合された中間部材３０と、中間部材３０に第２接合材４２を介して接合された第１金属板２１とを備えている。中間部材３０の線膨張係数が半導体チップ１０の線膨張係数より大きく、かつ、第１金属板２１の線膨張係数より小さい。第１接合材４１の剛性が第２接合材４２の剛性以上である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップと、
前記半導体チップに第１接合材を介して接合された中間部材と、
前記中間部材に第２接合材を介して接合された金属板と、を備え、
前記中間部材の線膨張係数が、前記半導体チップの線膨張係数より大きく、かつ、前記金属板の線膨張係数より小さく、
前記第１接合材の剛性が前記第２接合材の剛性以上である、半導体装置。
【請求項２】
前記第１接合材のヤング率が前記第２接合材のヤング率以上である、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記中間部材には、前記金属板から前記半導体チップに向かう方向に沿って延びる少なくとも１つの貫通孔が形成されている、請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１接合材のヤング率が前記半導体チップのヤング率より小さい、請求項１から３のいずれかに記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示の技術は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には半導体装置が開示されている。特許文献１の半導体装置は、金属電極板と、金属電極板の表面に形成された金属部と、金属部にはんだを介して固定された半導体チップとを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２５８０１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の半導体装置では、温度の変化により金属電極板や金属部が膨張／収縮する。これにより、半導体チップが変形することがある。そこで本明細書は、半導体チップの変形を抑制できる技術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】
【０００５】
本明細書に開示する半導体装置は、半導体チップと、前記半導体チップに第１接合材を介して接合された中間部材と、前記中間部材に第２接合材を介して接合された金属板と、を備えている。前記中間部材の線膨張係数が、前記半導体チップの線膨張係数より大きく、かつ、前記金属板の線膨張係数より小さい。前記第１接合材の剛性が、前記第２接合材の剛性以上である。
【０００６】
このような構成によれば、半導体チップと中間部材が第１接合材により接合され、中間部材と第１金属板が第２接合材により接合されるので、半導体チップと第１金属板の膨張量の相違の影響が両者の膨張量の中間の膨張量の中間部材を介して第１接合材と第２接合材に分散され、ひずみが分散される。また、半導体チップを接合する第１接合材の剛性が第２接合材の剛性以上であるので、第１接合材による拘束力が第２接合材による拘束力よりも強くなる。これにより、第１接合材によって半導体チップの変形を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】半導体装置の断面図である。
【図２】半導体装置の製造方法を説明する図である（１）。
【図３】半導体装置の製造方法を説明する図である（２）。
【図４】半導体装置の製造方法を説明する図である（３）。
【図５】他の実施形態に係る半導体装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、実施形態について添付図面を参照して説明する。実施形態に係る半導体装置１は、図１に示すように、半導体チップ１０と、半導体チップ１０に第１接合材４１を介して接合された中間部材３０と、中間部材３０に第２接合材４２を介して接合された第１金属板２１とを備えている。また、半導体装置１は、半導体チップ１０に第３接合材４３を介して接合されたスペーサ２３と、スペーサ２３に第３接合材４３を介して接合された第２金属板２２とを備えている。また、半導体装置１は、全体を封止する封止樹脂６０を備えている。
【０００９】
半導体チップ１０は、第１金属板２１と第２金属板２２の間に配置されている。半導体チップ１０の裏面１０２が、第１接合材４１、中間部材３０、および第２接合材４２を介して第１金属板２１に固定されている。半導体チップ１０の表面１０１が、第３接合材４３およびスペーサ２３を介して第２金属板２２に固定されている。
【００１０】
半導体チップ１０は、半導体基板の内部に半導体素子が形成された構成である。半導体チップ１０としては、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）を用いることができる。半導体チップ１０が例えばＩＧＢＴである場合、半導体基板の内部にはゲート領域、エミッタ領域、コレクタ領域などが形成されている（図示省略）。
【００１１】
半導体チップ１０に用いる半導体基板の材質としては、例えばシリコン（Ｓｉ）や炭化ケイ素（ＳｉＣ）を用いることができる。本実施形態では、半導体基板の材質として炭化ケイ素（ＳｉＣ）を用いている。シリコン（Ｓｉ）のヤング率は、約１６９ＧＰａである。また、炭化ケイ素（ＳｉＣ）のヤング率は、約４５０ＧＰａである。また、シリコン（Ｓｉ）の線膨張係数は約３ｐｐｍ／℃である。炭化ケイ素（ＳｉＣ）の線膨張係数は約５ｐｐｍ／℃である。半導体チップ１０の線膨張係数は、中間部材３０、第１金属板２１、および第２金属板２２の線膨張係数より小さい。半導体チップ１０は、温度変化により膨張／収縮する。半導体チップ１０は、温度が上がると膨張し、温度が下がると収縮する。半導体チップ１０は、作動時に発熱する。
【００１２】
中間部材３０は、板状に形成されている。中間部材３０は、半導体チップ１０と第１金属板２１の間に配置されている。中間部材３０の表面３０１が、第１接合材４１を介して半導体チップ１０に固定されている。中間部材３０の裏面３０２が、第２接合材４２を介して第１金属板２１に固定されている。各部材の積層方向に沿って平面視したときに、中間部材３０の平面積は、半導体チップ１０の平面積より大きく、第１金属板２１の平面積より小さい。中間部材３０の端部３０３は、半導体チップ１０の端部１０３の位置より外側に位置している。中間部材３０の端部３０３は、第１金属板２１の端部２１３の位置より内側に位置している。
【００１３】
中間部材３０は、金属により形成されている。中間部材３０の材質は、第１金属板２１および第２金属板２２の材質と異なる。中間部材３０の材質としては、例えばＣｕＭｏ、４２Ａｌｌｏｙを用いることができる。本実施形態では、中間部材３０の材質としてＣｕＭｏを用いている。ＣｕＭｏのヤング率は、８５Ｍｏ１５Ｃｕでは約２８０ＧＰａであり、４０Ｍｏ６０Ｃｕでは約１７０ＧＰａである。４２Ａｌｌｏｙのヤング率は、約１５０ＧＰａである。ＣｕＭｏの線膨張係数は、約９ｐｐｍ／℃である。また、４２Ａｌｌｏｙの線膨張係数は、約６ｐｐｍ／℃である。中間部材３０の線膨張係数は、半導体チップ１０の線膨張係数より大きい。中間部材３０の線膨張係数は、第１金属板２１、および第２金属板２２の線膨張係数より小さい。中間部材３０の線膨張係数は、半導体チップ１０の線膨張係数と第１金属板２１の線膨張係数との間の値である。中間部材３０は、温度変化により膨張／収縮する。中間部材３０は、温度が上がると膨張し、温度が下がると収縮する。
【００１４】
第１金属板２１は、中間部材３０の下方に配置されている。第１金属板２１の表面２１１が、第２接合材４２を介して中間部材３０に固定されている。第１金属板２１の裏面２１２（第２接合材４２側と反対側の面）は、封止樹脂６０から露出している。第１金属板２１の裏面２１２には、第１冷却器７１が接している。各部材の積層方向に沿って平面視したときに、第１金属板２１の平面積は、半導体チップ１０の平面積および中間部材３０の平面積より大きい。第１金属板２１の端部２１３は、半導体チップ１０の端部１０３および中間部材３０の端部３０３の位置より外側に位置している。
【００１５】
第２金属板２２は、スペーサ２３の上方に配置されている。第２金属板２２の裏面２２２が、第３接合材４３を介してスペーサ２３に固定されている。第２金属板２２の表面２２１（第３接合材４３側と反対側の面）は、封止樹脂６０から露出している。第２金属板２２の表面２２１には、第２冷却器７２が接している。平面視したときに、第２金属板２２の平面積は、半導体チップ１０の平面積および中間部材３０の平面積より大きい。第２金属板２２の端部２２３は、半導体チップ１０の端部１０３および中間部材３０の端部３０３より外側に位置している。
【００１６】
第１金属板２１および第２金属板２２の材質としては、例えば銅（Ｃｕ）はアルミニウム（Ａｌ）を用いることができる。本実施形態では、第１金属板２１および第２金属板２２の材質として銅（Ｃｕ）を用いている。銅（Ｃｕ）のヤング率は、約１２４ＧＰａである。アルミニウム（Ａｌ）のヤング率は、約７０ＧＰａである。また、銅（Ｃｕ）の線膨張係数は、約１７ｐｐｍ／℃である。アルミニウム（Ａｌ）の線膨張係数は、約２３ｐｐｍ／℃である。第１金属板２１および第２金属板２２の線膨張係数は、半導体チップ１０および中間部材３０の線膨張係数より大きい。第１金属板２１および第２金属板２２は、温度変化により膨張／収縮する。第１金属板２１および第２金属板２２は、温度が上がると膨張し、温度が下がると収縮する。
【００１７】
第１金属板２１および第２金属板２２は、熱伝導性および導電性を有している。第１金属板２１および第２金属板２２は、半導体チップ１０において生じた熱を放散する機能を有している。また、第１金属板２１および第２金属板２２は、電極としての機能を有している。
【００１８】
スペーサ２３は、半導体チップ１０と第２金属板２２の間に配置されている。スペーサ２３の裏面２３２が、第３接合材４３を介して半導体チップ１０に固定されている。スペーサ２３の表面２３１が、第３接合材４３を介して第２金属板２２に固定されている。スペーサ２３は、板状に形成されている。スペーサ２３は、金属により形成されている。スペーサ２３の材質としては、例えば銅（Ｃｕ）はアルミニウム（Ａｌ）を用いることができる。
【００１９】
第１接合材４１は、半導体チップ１０と中間部材３０の間に充填されている。第１接合材４１は、半導体チップ１０と中間部材３０を接合している。第１接合材４１は、半導体チップ１０と中間部材３０に密着している。第１接合材４１の中間部材３０側の平面積は、半導体チップ１０側の平面積より大きい。
【００２０】
第２接合材４２は、中間部材３０と第１金属板２１の間に充填されている。第２接合材４２は、中間部材３０と第１金属板２１を接合している。第２接合材４２は、中間部材３０と第１金属板２１に密着している。第２接合材４２の第１金属板２１側の平面積は、中間部材３０側の平面積より大きい。
【００２１】
第３接合材４３は、半導体チップ１０とスペーサ２３の間およびスペーサ２３と第２金属板２２の間に充填されている。第３接合材４３は、半導体チップ１０とスペーサ２３、および、スペーサ２３と第２金属板２２を接合している。第３接合材４３は、半導体チップ１０、スペーサ２３および第２金属板２２に密着している。
【００２２】
第１接合材４１の材質としては、例えばＣｕＳｎ化合物、ＮｉＳｎ化合物、Ａｇ焼結体、Ｚｎ系はんだ等を用いることができる。ＣｕＳｎ化合物としては、Ｃｕ３Ｓｎ、Ｃｕ６Ｓｎ５等を用いることができる。ＮｉＳｎ化合物としては、Ｎｉ３Ｓｎ４等を用いることができる。本実施形態では、第１接合材４１の材質としてＮｉ３Ｓｎ４を用いている。Ｃｕ３Ｓｎのヤング率は、約１０８ＧＰａである。Ｃｕ６Ｓｎ５のヤング率は、約８６ＧＰａである。Ｎｉ３Ｓｎ４のヤング率は、約１３３ＧＰａである。Ａｇ焼結体のヤング率は、約９〜８０ＧＰａである。
【００２３】
第２接合材４２および第３接合材４３の材質としては、例えばＳｎ系はんだ、ＳｎＣｕ系はんだ、Ｚｎ系はんだ等を用いることができる。Ｓｎ系はんだのヤング率は、約４２ＧＰａである。ＳｎＣｕ系はんだのヤング率は、約５０ＧＰａである。
【００２４】
第１接合材４１の剛性は、第２接合材４２の剛性より大きい。第１接合材４１のヤング率は、第２接合材４２のヤング率より大きい。第１接合材４１と第２接合材４２に同じ力が作用したときに、第１接合材４１の変位は、第２接合材４２の変位より小さい。すなわち、第１接合材４１と第２接合材４２に同じ力が作用したときに、第１接合材４１のひずみは、第２接合材４２のひずみより小さい。また、第１接合材４１および第２接合材４２のヤング率は、半導体チップ１０のヤング率より小さい。
【００２５】
封止樹脂６０は、第１金属板２１と第２金属板２２の間に充填されている。封止樹脂６０は、第１金属板２１と第２金属板２２の間の部材（半導体チップ１０、中間部材３０、スペーサ２３、第１接合材４１、第２接合材４２、および第３接合材４３）を封止している。封止樹脂６０は、第１金属板２１と第２金属板２２の間の部材に密着している。封止樹脂６０の材料としては、エポキシ樹脂を主成分として用いることができる。その他に、封止樹脂６０は、硬化剤、応力緩和剤、硬化促進剤、フィラー等を含んでいてもよい。
【００２６】
第１冷却器７１は、第１金属板２１の下方に配置されている。第１冷却器７１は、第１金属板２１を介して半導体チップ１０を冷却する。第２冷却器７２は、第２金属板２２の上方に配置されている。第２冷却器７２は、第２金属板２２を介して半導体チップ１０を冷却する。第１冷却器７１および第２冷却器７２としては、例えば水冷式の構成を用いることができる。
【００２７】
次に、半導体装置１の製造方法の一例について説明する。半導体装置１を製造するときは、まず、ニッケル（Ｎｉ）を用いて半導体チップ１０の裏面１０２をメタライズ処理する。これにより、半導体チップ１０の裏面１０２にＮｉ膜が形成される。また、ニッケル（Ｎｉ）を用いて中間部材３０の表面３０１をめっき処理する。これにより、中間部材３０の表面３０１にＮｉ膜が形成される。
【００２８】
次に、図２に示すように、Ｎｉ膜が形成された中間部材３０の表面３０１にＳｎ系のはんだペースト９１を配置し、はんだペースト９１の上にＮｉ膜が形成された半導体チップ１０を配置し、この状態で全体を加熱処理する。これにより、中間部材３０および半導体チップ１０に形成されたＮｉ膜とＳｎ系のはんだペースト９１とが反応して、ＮｉＳｎ化合物（Ｎｉ３Ｓｎ４）の第１接合材４１が形成される。また、半導体チップ１０と中間部材３０が、第１接合材４１により接合される。
【００２９】
次に、図３に示すように、第１金属板２１の上にＳｎ系のはんだペースト９１を配置し、はんだペースト９１の上に半導体チップ１０が接合された中間部材３０を配置する。また、半導体チップ１０の上にＳｎ系のはんだペースト９１を配置し、はんだペースト９１の上にスペーサ２３を配置する。また、スペーサ２３の上にＳｎ系のはんだペースト９１を配置し、はんだペースト９１の上に第２金属板２２を配置し、この状態で全体を加熱処理する。これにより、はんだペースト９１が加熱されて第２接合材４２および第３接合材４３が形成される。また、中間部材３０と第１金属板２１が、第２接合材４２により接合される。また、半導体チップ１０とスペーサ２３、および、スペーサ２３と第２金属板２２が、第３接合材４３により接合される。なお、半導体装置１の製造方法においてはんだ付けを行うときには、プリフォームはんだを用いてもよい。
【００３０】
次に、図４に示すように、上記の工程で接合されたものを金型１００の内部に配置し、金型１００の内部に樹脂を注入する。注入された樹脂が硬化すると、封止樹脂６０が形成される。以上のようにして、半導体装置１が製造される。
【００３１】
上記の構成を備える半導体装置１によれば、半導体チップ１０に通電すると半導体チップ１０が発熱して半導体装置１の温度が上がる。そうすると、半導体チップ１０、中間部材３０および第１金属板２１の温度が上がり、それぞれが膨張する。半導体チップ１０、中間部材３０および第１金属板２１では、それぞれの線膨張係数が異なるので膨張量が相違し、この膨張量の相違により、半導体チップ１０と中間部材３０の間の第１接合材４１および中間部材３０と第１金属板２１の間の第２接合材４２にひずみが生じる。このとき、半導体チップ１０と第１金属板２１の間に中間部材３０が配置され、第１接合材４１を介して中間部材３０が半導体チップ１０に接合されており、第２接合材４２を介して第１金属板２１が中間部材３０に接合されているため、第１接合材４１と第２接合材４２にひずみを分散できる。すなわち、もし半導体チップ１０と第１金属板２１の間に中間部材３０が配置されておらず、１種類の接合材により半導体チップ１０と第１金属板２１が接合されていると、半導体チップ１０と第１金属板２１の膨張量の相違が１種類の接合材に全て影響し、ひずみを分散することができない。しかしながら、上記の構成によれば、半導体チップ１０と中間部材３０が第１接合材４１により接合され、中間部材３０と第１金属板２１が第２接合材４２により接合されるので、半導体チップ１０と第１金属板２１の膨張量の相違の影響が中間部材３０を介して第１接合材４１と第２接合材４２に分散され、ひずみが分散される。また、半導体チップ１０を接合する第１接合材４１の剛性が第２接合材４２の剛性より大きいので、第１接合材４１による拘束力が第２接合材４２による拘束力よりも強くなる。これにより、第１接合材４１によって半導体チップ１０の変形を抑制でき、半導体装置１の寿命を高めることができる。また、第２接合材４２による拘束力が第１接合材４１による拘束力よりも弱いので、第２接合材４２が第１金属板２１の膨張に追従できる。これにより、第２接合材４２のクラックを抑制でき、半導体装置１の寿命を高めることができる。
【００３２】
また、第１接合材４１のヤング率が半導体チップ１０のヤング率より小さいので、第１接合材４１が半導体チップ１０よりも変形しやすく、半導体チップ１０が第１接合材４１により過度に拘束されることがない。これにより半導体チップ１０を適度に保持でき、半導体チップ１０の損傷を抑制できる。また、中間部材３０の平面積が半導体チップ１０の平面積より大きいので、第１接合材４１の接合面積を広くすることができる。これにより、半導体チップ１０を中間部材３０に確実に接合でき、半導体装置１の寿命を高めることができる。
【００３３】
以上、一実施形態について説明したが、具体的な態様は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、他の実施形態では、図５に示すように、中間部材３０に複数の貫通孔３６が形成されていてもよい。図５において、図１と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。各貫通孔３６は、中間部材３０を厚さ方向に貫通している。貫通孔３６は、第１金属板２１から半導体チップ１０に向かう方向に沿って延びている。貫通孔３６は、半導体チップ１０の下方に位置している。複数の貫通孔３６は、半導体チップ１０の端部１０３の位置より内側の位置に形成されている。他の例では、複数の貫通孔３６は、半導体チップ１０の端部１０３の位置より内側の位置と外側の位置の両方に形成されていてもよい。貫通孔３６には、第２接合材４２が充填されている。貫通孔３６に充填された第２接合材４２は、第１接合材４１に密着している。このような構成によれば、中間部材３０に貫通孔３６が形成されているので、中間部材３０が変形しやすくなり、第２接合材４２のひずみを緩和できる。中間部材３０に形成される貫通孔３６の数は特に限定されるものではなく、少なくとも１つの貫通孔３６が中間部材３０に形成されていればよい。
【００３４】
また、上記実施形態では、平面視における中間部材３０の平面積が半導体チップ１０の平面積より大きかったが、この構成に限定されるものではない。他の実施形態では、平面視における中間部材３０の平面積が半導体チップ１０の平面積と同じ大きさであってもよい。
【００３５】
また、上記実施形態では、第１接合材４１の剛性が、第２接合材４２の剛性より大きい構成であったが、この構成に限定されるものではない。他の実施形態では、第１接合材４１の剛性が、第２接合材４２の剛性と同じであってもよい。また、上記実施形態では、第１接合材４１のヤング率が、第２接合材４２のヤング率より大きい構成であったが、他の実施形態では、第１接合材４１のヤング率が、第２接合材４２のヤング率と同じであってもよい。この場合、第１接合材４１の材質と第２接合材４２の材質は、同様の材質を用いることができる。
【００３６】
以下、本明細書が開示する半導体装置の技術要素について説明する。なお、以下に記載する技術要素は、それぞれ独立した技術要素であって、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものである。
【００３７】
本明細書が一例として開示する半導体装置では、第１接合材の剛性が第２接合材の剛性以上であってもよい。
【００３８】
本明細書が一例として開示する半導体装置では、第１接合材のヤング率が第２接合材のヤング率以上であってもよい。
【００３９】
本明細書が一例として開示する半導体装置では、半導体チップの端部の位置より内側の位置において、中間部材に、金属板から半導体チップに向かう方向に沿って延びる少なくとも１つの貫通孔が形成されていてもよい。
【００４０】
本明細書が一例として開示する半導体装置では、第１接合材のヤング率が半導体チップのヤング率より小さくてもよい。中間部材の平面積が半導体チップの平面積より大きくてもよい。
【００４１】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００４２】
１    ：半導体装置
１０  ：半導体チップ
２１  ：第１金属板
２２  ：第２金属板
２３  ：スペーサ
３０  ：中間部材
３６  ：貫通孔
４１  ：第１接合材
４２  ：第２接合材
４３  ：第３接合材
６０  ：封止樹脂
７１  ：第１冷却器
７２  ：第２冷却器
９１  ：はんだペースト
１００：金型
【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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