(57)【要約】【課題】半導体基板への応力を低減し、又は接合界面での剥離を低減できる構造を備えた半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置１００は、基台２と、基台２上に配置された金属層３と、金属層３上に配置された略矩形の半導体基板１と、基台２と金属層３と半導体基板１とを封止する封止樹脂４とを備え、基台２と半導体基板１との間で、かつ半導体基板１の角部の直下には支持部８が配置され、支持部８と封止樹脂４との密着力は、金属層３と封止樹脂４との密着力よりも強い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基台と、
前記基台上に配置された金属層と、
前記金属層上に配置された略矩形の半導体基板と、
前記基台と前記金属層と前記半導体基板とを封止する封止樹脂とを備え、
前記基台と前記半導体基板との間で、かつ前記半導体基板の角部の直下には支持部が配置され、
前記支持部と前記封止樹脂との密着力は、前記金属層と前記封止樹脂との密着力よりも強いことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置において、
前記支持部は、上方から見た際に前記半導体基板の角部からはみ出るように配置されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１記載の半導体装置において、
前記支持部は、上方から見た際に前記半導体基板の隣り合う辺を跨ぐように、かつ前記半導体基板の外形よりも内側に配置され、
前記支持部よりも外側で、かつ前記基台と前記半導体基板との間には、前記封止樹脂が存在することを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記支持部は、前記半導体基板の互いに向かい合う２つの角部をそれぞれ含むように、少なくとも２つ存在することを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記金属層は、上方から見た際に前記半導体基板の外形からはみ出て存在していることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記半導体基板は、前記金属層と接続する面に、金属膜を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項６記載の半導体装置において、
前記金属層は、はんだからなることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板への応力を低減できる構造を備えた半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体装置はリードフレーム上にダイボンディング材を介して半導体基板を実装した後、樹脂封止によりパッケージングされる。特にＴＯ−２２０、ＨＳＯＰ等に代表されるパッケージでは優れた熱伝導性、電気伝導性を達成するために、リードフレームにはんだを介して半導体基板を接合している。ここで用いられるリードフレームは主にＣｕを母体とするため、半導体基板とリードフレームと封止樹脂との熱膨張係数の違いを原因として、ダイボンディング工程、ワイヤーボンディング工程、樹脂封止工程のキュアにより、又はマザーボード実装（二次実装）工程等のリフローでの熱履歴により反りが生じる。この反りは半導体基板へ応力として伝達され、電気特性異常、クラック、接合界面での剥離等を引き起こす原因となっている。
【０００３】
更に現在、半導体パッケージは更なる小型・低背化、高性能化を目的として、リードフレームの薄型化によって反りの影響を受けやすくなってきている。
【０００４】
一般的に、ダイボンディング材は厚さを厚くすることで応力を緩和させる役目を果たしている。ある従来技術では、半導体基板の直下に支持部を設け、ダイボンディング材の厚さを厚くしている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−３１１５７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般に、半導体基板とリードフレームと封止樹脂との熱膨張係数の差に基づいて応力が発生する場合には、各部材間の接合強度において接合強度が最も低い箇所から剥離することが知られている。接合強度として、封止樹脂とダイボンディング材との接合強度は最も脆弱である。また、半導体基板の角部の周辺において最大応力が発生しやすい。従来は、最大応力が発生する箇所に、接合強度が最も脆弱な界面があったため、剥離が発生しやすい課題があった。この剥離がきっかけとなり、半導体基板とダイボンディング材との界面、封止樹脂とリードフレームとの界面、また、ワイヤーとリードフレームとの界面へ剥離が進行し、最悪の場合、半導体装置全体の機能不良に陥る可能性があった。
【０００７】
上記特許文献１の技術では、スポット状の支持部を設け、ダイボンディング材の厚さを厚くして応力の緩和をしているが、ダイボンディング材が半導体基板の角部の外側よりも濡れ広がった際に、一番応力の掛かる半導体基板の角部に、最も脆弱な封止樹脂とダイボンディング材との界面が存在することとなる。そのため、封止樹脂とダイボンディング材との界面での剥離が起き易かった。
【０００８】
一方、ダイボンディング材が半導体基板の角部の外側よりも濡れ拡がらず、封止樹脂が半導体基板の直下にも形成されると、一番脆弱な封止樹脂とダイボンディング材との界面が半導体直下に形成されるため、半導体基板及びリードフレームからの応力により剥離が発生する可能性があった。また、リードフレームにダイボンディング材を塗布した後に半導体基板を実装する際のダイボンディング材の濡れ拡がり量の制御が困難であった。そのため、半導体基板に接するダイボンディング材の面積が極端に少なくなる場合があり、半導体基板から発生した熱又は電気信号をリードフレームに十分に伝えることができない場合があった。
【０００９】
本発明は、半導体基板への応力を低減し、又は接合界面での剥離を低減できる構造を備えた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】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の半導体装置は、基台と、基台上に配置された金属層と、金属層上に配置された略矩形の半導体基板と、基台と金属層と半導体基板とを封止する封止樹脂とを備え、基台と半導体基板との間で、かつ半導体基板の角部の直下には支持部が配置され、支持部と封止樹脂との密着力は、金属層と封止樹脂との密着力よりも強いことを特徴とする。
【００１１】
これにより、最も大きい応力が発生する半導体基板の角部周辺に、接合強度が最も脆弱な封止樹脂と金属層との界面が存在しないことで、封止樹脂と金属層との界面での剥離の発生を抑制することができる。更に、支持部で金属層を半導体基板の角部より内側に塞ぎ止める構造のため、半導体基板の中央部の底面に金属層が配置される結果、半導体基板の放熱効果、電気特性を保つことができる。更に、基台上に支持部があることで金属層の厚さを制御することができ、応力を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、半導体基板と基台との剥離を抑制する、高信頼性の半導体装置が実現する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る半導体装置の一例を示す平面図である。
【図２】図１の半導体装置のII−II断面図である。
【図３】図１の半導体装置のIII−III断面図である。
【図４】図２中の支持部の変形例を示す部分拡大断面図である。
【図５】図３中の金属層に偏析が発生しにくいはんだを用いた場合のはんだの挙動を示す部分拡大断面図である。
【図６】図３中の半導体基板の変形例を示す部分拡大断面図である。
【図７】図１中の支持部の変形例を示す平面図である。
【図８】図１中の支持部の他の変形例を示す平面図である。
【図９】図１中の支持部の更に他の変形例を示す平面図である。
【図１０】図２中の半導体基板の変形例を示す断面図である。
【図１１】図１の半導体装置の製造に用いられるウエハの斜視図である。
【図１２】（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、基台に支持部を設ける方法を示す正面図である。
【図１３】（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、基台に支持部を設ける他の方法を示す正面図である。
【図１４】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）及び（ｅ）は、基台に半導体基板を実装する方法を示す正面図である。
【図１５】（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、半導体基板が実装された基台の樹脂封止工程を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る半導体装置の好適な実施形態について、図面を参照して詳述する。
【００１５】
図１は、本発明に係る半導体装置の一例を示す平面図である。図２は、図１の半導体装置のII−II断面図である。図３は、図１の半導体装置のIII−III断面図である。
【００１６】
図１〜図３に示した半導体装置１００は、基台２と、基台２上に配置された金属層３と、金属層３上に配置された略矩形の半導体基板１と、基台２と金属層３と半導体基板１とを封止する封止樹脂４とを備えている。そして、基台２と半導体基板１との間で、かつ半導体基板１の角部の直下には支持部８が配置され、支持部８と封止樹脂４との密着力は、金属層３と封止樹脂４との密着力よりも強い。
【００１７】
ここで、基台２は、例えばＣｕ母材とするリードフレームである。金属層３は、Ａｇを含有した樹脂ペースト、はんだ（ＰｂＳｎ、Ｂｉ、ＡｕＳｎ等）等のうちいずれかである。封止樹脂４は、例えばエポキシ樹脂である。支持部８は、例えば基台２の一部をアップセット加工により盛り上げたものでよい。この場合には、支持部８の材料が基台２の材料と同じとなる。また、支持部８は、基台２とは別に用意された金属物、樹脂物等でもよく、具体的には、Ａｕ、Ａｇ等の金属、又はＳｉＯ２等の無機材が好ましい。
【００１８】
このような構成を有することで、本発明の実施形態に係る半導体装置１００は、以下のような効果を有する。
【００１９】
すなわち、最も大きい応力が発生する半導体基板１の角部周辺に、接合強度が最も脆弱な封止樹脂４と金属層３との界面を存在させないことで、半導体基板１の角部における封止樹脂４と金属層３との界面での剥離の発生を抑制することができる。言い換えれば、半導体基板１の角部周辺には、封止樹脂４と金属層３との界面よりも強固な支持部８と封止樹脂４との界面を存在させることで、半導体基板１の角部周辺での剥離の抑制を可能としている。
【００２０】
加えて、支持部８で金属層３を半導体基板１の角部より内側に塞ぎ止める構造のため、半導体基板１の中央部の底面に金属層３が配置されているので、半導体基板１の放熱効果、電気特性を保つことができる。
【００２１】
更に、基台２上に支持部８があることで金属層３の厚さを自由に制御することができ、厚くすれば半導体基板１及び基台２からの応力を抑制することができる。
【００２２】
その他の構成としては、半導体基板１の第１の主面上には、図示のように電極パッド６が設けられていてもよい。基台２の上面には、図示のように電極ランド９が設けられていてもよい。電極ランド９と電極パッド６とは、図示のようにワイヤー５で接続されていてもよい。基台２は、半導体装置１００の高周波特性を向上するために、セラミックと金属層との積層構造でも構わない。
【００２３】
図１〜図３においては、支持部８は、上方から見た際に半導体基板１の隣り合う辺を跨ぐように、かつ半導体基板１の外形よりも内側に配置され、支持部８よりも外側で、かつ基台２と半導体基板１との間には、封止樹脂４が存在するような大きさ・形状となっている。言い換えると、封止樹脂４は、半導体基板１の第１の主面を覆うようにあり、かつ半導体基板１の第２の主面の角部の直下と基台２の第１の主面との間に存在する。このような構成を有することにより、半導体基板１の角部底面にまで封止樹脂４が回り込んでいるため、半導体基板１にかかる応力の低減効果が見込める。
【００２４】
また、支持部８は、基台２の中心から点対称に少なくとも２つ設けることが好ましい。これにより、半導体基板１の直下の金属層３の厚さが安定し、半導体基板１に加わる応力を緩和させる十分な厚さを金属層３が備えることができる。更に好ましくは、半導体基板１の角部の各々に計４つあることが望ましい。
【００２５】
また、支持部８の高さ、すなわち基台２の主面から半導体基板１の第２の主面までの距離は、概ね２０μｍ以上が望ましい。２０μｍ未満の場合には、基台２、半導体基板１、封止樹脂４からの応力の影響により、十分に応力を吸収できず、剥離が発生した際に、半導体基板１と金属層３との間に剥離が進行する。
【００２６】
更に、支持部８の周辺には溝（不図示）を有していても構わない。これにより、金型等のプレス加工により、支持部８の形状を効率良く製作することができる。
【００２７】
図４に示すように、支持部８の断面形状は、金属層３と接する側に斜面を有する形状でも構わない。これにより、金属層３が半導体基板１の角部まで到達するリスクを抑制することができる。
【００２８】
また、金属層３は、上方から見た際に半導体基板１の外形からはみ出て存在していてもよい。すなわち、金属層３は、半導体基板１の周辺を越えて濡れ広がっているほうが望ましい。これにより、半導体基板１の直下に金属層３が十分に存在していることを上面より確認することができる。
【００２９】
金属層３がはんだからなる場合、金属層３自体の電気抵抗及び熱抵抗を小さくすることができ、半導体基板１の電気抵抗が安定する。
【００３０】
ここで、ダイボンディング材がはんだの場合に本構成が極めて有効である点につき、詳細に説明する。
【００３１】
半導体基板１の周辺で剥離が万一発生した場合、はんだの偏析が進むことで半導体基板１の直下へ剥離が進行する。特にＰｂ（Ｂｉ等も同様）を含むはんだにおいて、半導体装置１００の二次実装後の熱衝撃（温度サイクル）や高温保存等の熱履歴により、Ｐｂの結晶が肥大化し偏析が促進される。偏析が起きた箇所は極めて脆弱であり、半導体基板１と基台２と封止樹脂４とからの応力の影響で剥離が進行し、又はクラックが発生する場合がある。本構成では、最も応力の高い半導体基板１の角部周辺には金属層３が存在せず、支持部８と封止樹脂４とを存在させることで、偏析による剥離の進行を抑制し、かつクラックの影響を受けることを低減させている。また、はんだ（特にＰｂ、Ｂｉ等）の偏析が起きた場合でも、偏析が起きた結晶粒よりも十分に厚い金属層３があることで、半導体基板１と基台２との界面の剥離を抑制することができる。
【００３２】
偏析は結晶が肥大化することで、当該部分を基点に半導体基板１と基台２との界面の一部、又はその全面に剥離が発生する。そのため、ＰｂＳｎはんだの中にＡｇ（又はＣｕ）を加えることでＰｂ結晶への歪を生じさせ、Ｐｂの偏析を起こりにくくするといった対応がなされる。
【００３３】
図５は、図３中の金属層３に偏析が発生しにくいはんだを用いた場合のはんだの挙動を示す。図５に示すように、ＰｂＳｎはんだの中にＡｇ（又はＣｕ）粒子１１を加えることでＰｂ結晶１０への歪を生じさせ、Ｐｂの偏析が起こりにくくなっている。これははんだ溶融温度でも十分にはんだが溶けていないことを意味する。言い換えれば、はんだの粒子が動きにくいことを意味する。はんだが十分に溶けた場合、半導体基板１を基台２に実装した瞬間に、溶けたはんだが毛細管現象で半導体基板１の直下に吸い込まれるので、はんだ厚みを一定の厚さ以上に保つことができる。はんだが十分に溶けていない場合、毛細管現象は起きにくくはんだの厚さが薄くなってしまう課題が従来はあった。ところが、本構成によれば、金属層３に偏析が発生しにくいはんだ（例えば、ＰｂＳｎＡｇ、ＰｂＳｎＡｇＣｕ等）を用いた場合でも支持部８により金属層３に一定の厚さを得ることができるため、基台２からの応力を吸収し、半導体基板１と基台２との間の剥離を抑制することができる。
【００３４】
図６に示すように、半導体基板１の第２の主面の少なくとも角部、好ましくは半導体基板１の第２の主面の周辺領域に溝１２を設けてもよい。これにより、応力が集中する半導体基板１の角部、又は半導体基板１の周辺領域において、封止樹脂４又は金属層３の厚さを厚くすることができ、応力を効率良く抑制することができる。
【００３５】
更に、半導体基板１の第２の主面の平均的な粗さに比べ、半導体基板１の溝１２の方が粗いことで封止樹脂４、金属層３と接する表面積が増え、接合強度が向上し、その界面での剥離を抑制することができる。
【００３６】
図７は、図１中の支持部８の変形例を示している。図７に示すように、支持部８は、半導体基板１の角部を中心に円弧状であってもよい。これにより、半導体基板１の角部から均等の位置に各々の支持部８を配置することができ、半導体基板１への応力を均等にすることができる。
【００３７】
図８は、図１中の支持部８の他の変形例を示している。図８に示すように、支持部８は、半導体基板１の角部に対して対称におよそ直角であってもよい。これにより、半導体基板１を基台２に実装する際に、支持部８に対し半導体基板１が平面上の位置ズレを起こした場合でも半導体基板１の角部から金属層３がはみ出ないように余裕を持つことができる。
【００３８】
図９は、図１中の支持部８の更に他の変形例を示している。図９に示すように、支持部８は、上方から見た際に半導体基板１の角部からはみ出るような大きさ・形状にしてもよい。これにより、半導体基板１を支持部８により安定して搭載することができる。加えて、半導体基板１を基台２に実装する際に、支持部８に対し半導体基板１が平面上の位置ズレを起こした場合でも半導体基板１の角部から金属層３がはみ出ないように余裕を持つことができる。
【００３９】
図１０に示すように、半導体基板１の第２の主面上には、金属膜７が設けられていてもよい。金属膜７の材料としては、例えば半導体基板１の第２の主面の方から、Ｔｉ−Ｎｉ−Ａｇ又はＣｒ−ＮｉＣｒ−Ｃｒ−Ａｇの層であることが好ましい。半導体基板１が金属層３と接続する面に金属膜７を有することで、半導体基板１と金属層３との界面の電気抵抗及び熱抵抗を低くすることができ、半導体基板１の電気特性が安定する。
【００４０】
続いて、本発明の実施形態に係る半導体装置１００の製造方法について説明する。
【００４１】
図１１は、図１の半導体装置１００の製造に用いられるウエハ１ａの斜視図である。ウエハ１ａは、前述の半導体基板１が複数個形成された集合体である。半導体基板１は、公知の方法により形成される。
【００４２】
次に、ダイシングにより、複数の半導体基板１の個片化を行う（図示せず）。このとき、半導体基板１の第２の主面より２段階にダイシングを行い、図６に示すように溝１２の形状を形成してもよい。
【００４３】
図１２（ａ）〜図１２（ｃ）は、基台２に支持部８を設ける方法を示している。ここでは、基台２の第２の主面より金型１３で圧力をかけ、半切断の工法を用いて支持部８を形成する。この場合、図１２（ｃ）に示すように、基台２の第２の主面に溝１４の形状が形成される。
【００４４】
図１３（ａ）〜図１３（ｃ）のように、基台２の第１の主面より金型１３でプレスして支持部８を形成してもよい。この場合、図１３（ｃ）に示すように、支持部８の周辺に溝１４の形状が形成される。
【００４５】
図１４（ａ）〜図１４（ｅ）は、基台２に半導体基板１を実装する方法を示している。まず、図１４（ａ）に示すように、支持部８が形成された基台２の上に金属層３を塗布する。金属層３の材料は、はんだが好ましい。ただし、金属層３を塗布する前に、基台２を金属層３の融点以上に加熱し、金属層３を溶かしながら基台２の第１の主面のおよそ中央に塗布する。
【００４６】
その後、加熱状態を保持したまま、図１４（ｂ）〜図１４（ｄ）に示すように、個片化された半導体基板１を基台２の第１の主面のおよそ中央に実装する。このとき、基台２上の支持部８により、半導体基板１の角部の直下には空洞領域が形成され、かつ半導体基板１と基台２との間に存在する金属層３の厚さが安定して形成される。
【００４７】
ここで、半導体基板１を基台２に押し込みながら実装する。その際、金属層３は十分に溶けているため、実装の速度が速いと金属層３が飛び散る危険性がある。特に、金属層３の飛び散りを抑制するために実装の速度を遅くした場合、半導体基板１と基台２との接触する時間が長くなるため、半導体基板１が金属膜７を有する場合、半導体基板１の金属膜７と基台２とが接合してしまう。そのため、従来は溶けた金属層３が毛細管現象で半導体基板１の直下に吸い込まれずはんだ厚みを一定の厚さ以上に保つことが難しかった。しかし、本発明では、支持部８により、半導体基板１と基台２との間に一定の間隔を保つことができ、金属層３が毛細管現象で半導体基板１の直下に吸い込まれる結果、はんだ厚みを一定の厚さ以上に保つことができる。
【００４８】
金属層３がＡｇを含む樹脂材である場合、基台２の上に金属層３を塗布する際は、常温が望ましく、半導体基板１を実装した後は基台２を加熱することが好ましい。
【００４９】
次に、図１４（ｅ）に示すように、ワイヤー５により半導体基板１と基台２とを電気的に接続する。ワイヤー５は、Ａｕ線、Ｃｕ線、又はＡｇ線が望ましい。
【００５０】
図１５（ａ）〜図１５（ｃ）は、半導体基板１が実装された基台２の樹脂封止工程を示している。この工程では、基台２を金型に固定し、金型と基台２との中空構造の中に封止樹脂４を注入し、熱硬化させる。このとき、基台２上の支持部８により、半導体基板１の角部の直下には空洞領域に封止樹脂４が注入される。これにより、最大応力が発生する半導体基板１の角部周辺に、接合強度が最も脆弱な封止樹脂４と金属層３との界面が存在しないことで、剥離の発生を抑制することができる。更に、基台２上に支持部８があることで金属層３の厚さを制御することができ、応力を抑制することができる。
【００５１】
なお、前述の平面図及び断面図のそれぞれにおいて、各構成要素の角部及び辺を直線的に記載しているが、製造上の理由により、角部及び辺が丸みを帯びたものも本発明に含まれる。
【００５２】
また、上記各例で用いた材料及び数値は、全て本発明を具体的に説明するために例示するものであり、本発明は例示された材料及び数値に限定されない。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
以上説明してきたとおり、本発明に係る半導体装置は、半導体基板への応力を低減できるという効果を有し、半導体装置全般に有用である。
【符号の説明】
【００５４】
１      半導体基板
１ａ    ウエハ
２      基台
３      金属層
４      封止樹脂
５      ワイヤー
６      電極パッド
７      金属膜
８      支持部
９      電極ランド
１０    Ｐｂ結晶
１１    Ａｇ粒子
１２    半導体基板の溝
１３    金型
１４    基台の溝
１００  半導体装置
【図１】
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【図２】
2017037866.tif 000004
【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】
2017037866.tif 000011
【図１０】
2017037866.tif 000012
【図１１】
2017037866.tif 000013
【図１２】
2017037866.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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