(57)【要約】【課題】接合部の寿命を向上させる。【解決手段】電極２の塑性変形が生じる応力の大きさが同一温度において接合層４の塑性変形が生じる応力の大きさ以下になっている。これにより、半導体装置に温度変化が加わり、チップ１と基板３およびチップ１と接合層４の熱膨張係数の差によって変位が生じようとする際、接合層４と比較してより低い応力で塑性変形しやすい電極２が接合層４より先に歪むので、チップ１や接合部周辺に生じる応力を抑制させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの主面に電極を有した半導体チップと金属基板とが、前記電極と前記金属基板との間に接合層を介在させて接合している半導体装置において、前記電極の塑性変形が生じる応力の大きさが同一温度において前記接合層の塑性変形が生じる応力の大きさ以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、前記電極と前記接合層との間に少なくとも一層以上からなる第１の介在層が介在していることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の半導体装置において、前記電極と前記半導体チップとの間に少なくとも一層以上からなる第２の介在層が介在していることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のうち、いずれか１項に記載の半導体装置において、前記電極は熱処理によって再結晶された組織からなることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のうち、いずれか１項に記載の半導体装置において、前記電極は純アルミニウム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、少なくとも１つの主面に電極を有した半導体チップと金属基板とが電極と金属基板との間に接合層を介在させて接合している半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、チップと基板とを接合する際にははんだが用いられる。ところがこのはんだには、実使用時に生じるチップの発熱や環境温度の変化によって半導体装置に温度変化が加わると、チップと基板の熱膨張係数の差、およびチップとはんだ自身の熱膨張係数の差のために、熱歪みが発生する。そしてその繰り返しによって歪みが蓄積し、例えばCoffin-Manson則（歪みと疲労寿命の関係を示す法則）で示されるような低サイクル疲労特性に基づく寿命に至ることが知られている。このような背景から、近年、チップに近い熱膨張係数となる基板を用いてチップと基板の熱膨張係数の差を小さくすることによりチップと基板間の変位を抑制する方法、チップと基板間に変位が生じても接合部に熱歪みが集中しないように基板に形成されている金属回路の形状を設計する方法、チップと基板間に変位が生じても接合部に熱歪みが集中しないようにはんだのような接合層の厚みを厚くする方法等、はんだの寿命を延ばすための幾つかの方法が提案されている。
【特許文献１】特開２００３−３１７３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記方法はいずれも、チップと基板の熱膨張係数の差によって生じる歪みの抑制を目的としており、もう一つの歪み発生の原因であるチップとはんだ自身の熱膨張係数の差に起因するはんだの歪みを低減することは難しい。従って温度変化の繰り返しによってはんだの劣化が進むという初期の問題そのものを解決してはいない。即ち、はんだのような接合層の歪みによってチップの応力を緩和する従来の半導体装置の構造によれば、多少の接合部の寿命改善ができたとしても、極端に高温で使用されるチップや大面積での接合が必要なチップを搭載する半導体装置においては十分な対策とは言えない。
【０００４】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、接合部の寿命を飛躍的に向上することが可能な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】
【０００５】
上述の課題を解決するために、本発明に係る半導体装置は、少なくとも一つの主面に電極を有したチップと基板とが接合層を介在させて接合しており、その電極と接合層との強度関係を指定することにより、チップと基板との間、およびチップと接合層との間の熱膨張係数の差によって生じる熱歪みを主に接合層ではなく電極側で吸収させることができる。即ち、本発明に係る半導体装置は、金属材料の塑性変形が生じる応力を例えば降伏応力（０．２％耐力などでも良い）とした場合、電極の降伏応力の大きさが同一温度において接合層の降伏応力の大きさと同じ若しくはそれ以下になるように選定されているので、温度変化によって接合部に生じる熱歪みを接合層に代って電極に担わせることができる。
【発明の効果】
【０００６】
本発明に係る半導体装置によれば、温度変化によって接合部に生じる熱歪みを接合層ではなくチップに形成された電極で担うので、たとえ硬い接合層であったとしてもチップに発生する応力を緩和できる。また、電極材料として接合層と比較して疲労強度の高い任意の金属を選択しておくことで、接合部の寿命を向上させることができる。更に、電極を任意の厚みにしておくことで発生する歪みを緩和でき、接合部の寿命をより一層向上させることができる。即ち、より厳しい信頼性条件が要求される半導体装置を高い接合信頼性とともに実現することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態となる半導体装置の構成について詳しく説明する。
【０００８】
〔第１の実施形態〕
本発明の第１の実施形態となる半導体装置は、図１に示すように、主面１ａに電極２が形成されたチップ１と基板３とが、接合層４を介して接合されている。チップ１はシリコンカーバイトなどの耐熱半導体により形成され、電極２は厚さ１０ミクロンの９９．９９％の純アルミニウムにより形成されている。基板３はアルミニウム回路貼りセラミックス絶縁基板によりされ、接合層４はアルミニウム・シリコン系のろう材により形成されている。この半導体装置では、図２および表１に示すように、電極２の塑性変形が生じる応力である０．２％耐力（降伏応力などであっても構わない）σｙ１ｂが１１．７ＭＰａであり、接合層４の０．２％耐力σｙ３が３５ＭＰａ以上であるので、同一温度においてσｙ１ｂ＜σｙ３となっている。
【表１】
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【０００９】
このような構造によれば、半導体装置に温度変化が加わり、チップ１と基板３およびチップ１と接合層４の熱膨張係数の差によって変位が生じようとする際、接合層４と比較してより低い応力で塑性変形（クリープ変形も含む）しやすい電極２が接合層４より先に歪むので、チップ１や接合部周辺に生じる応力を抑制できる。またこの温度変化が繰り返されたとしても、主に電極２が疲労するので、接合層４の疲労は著しく低下させることができる。更に、電極２は従来のはんだなどの共晶金属からなる一般的な接合層と比べて高い疲労強度を有する純金属である純アルミニウムからなるので、従来の半導体装置と比べて接合部の寿命を向上させることができる。また電極２の厚みを任意の厚みに増すことによって電極２に生じる歪みを低減させることができ、接合部のより一層の寿命向上が可能となる。
【００１０】
本実施形態においては、電極２を構成する純アルミニウムの純度として９９．９９％を選んだが、上述するように電極２と接合層４との強度関係が成り立っていれば、それ以外の純度であっても、またはそれ以外の材料であっても構わない。
【００１１】
〔第２の実施形態〕
本発明の第２の実施形態となる半導体装置は、図３に示すように、電極２と接合層４との間に、第１の介在層５ａが形成されている。第１の介在層５ａは電極２側から接合層４側にかけて、厚さ１ミクロン以下のニッケル層と銀層からなり、基板３と接合される前にチップ１に形成されている。接合層４は低温焼結が可能な銀系のペーストによって形成される銀からなり、それ以外の構成部品とその材料は第１の実施形態と同様である。この半導体装置では、電極２を構成する純アルミニウムと接合層４を構成する銀との間に、第１の介在層５ａの一層を構成するニッケル層が介在しているので、アルミニウムと銀の相互拡散を防止できる。また、第１の介在層５ａのもう一つの層を構成する銀層も介在しているので、接合層４を構成する銀と電極２を構成する純アルミニウムとを接合することができる。これによって形成された接合層４の０．２％耐力σｙ３は表１に示すように５３．９ＭＰａであり、電極２の０．２％耐力σｙ１ｂが１１．７ＭＰａであるので、同一温度においてσｙ１ｂ＜σｙ３となっている。
【００１２】
このような構造によれば、熱負荷や拡散による電極２や接合層４の材質変化を防止でき、またチップ１側にある電極２と接合層４との密着性を良好にできるので、上述した電極２の歪みによる接合部の寿命向上が確実になるとともに、半導体装置の信頼性を向上させることが可能となる。なお、各層の機能は上述したものに限定されるものではない。
【００１３】
〔第３の実施形態〕
本発明の第３の実施形態となる半導体装置は、図４に示すように、電極２とチップ１との間に、第２の介在層５ｂが形成されている。第２の介在層５ｂは、厚さ１ミクロン以下のニッケル層からなり、それ以外の構成部品とその材料は第２の実施形態と同様である。この半導体装置では、チップ１を構成するシリコンカーバイトと電極２を構成する純アルミニウムとの間に第２の介在層５ｂを構成するニッケルが介在しているので、アルミニウムとシリコンカーバイトの相互拡散を防止できる。
【００１４】
このような構造によれば、熱負荷や拡散などによるチップ１や電極２の材質変化を防止でき、上述した電極２の歪みによる接合部の寿命向上が確実になるとともに、半導体装置の信頼性を向上させることが可能となる。また、第２の介在層５ｂを構成するニッケルはチップ１と電極２との間で電気的なコンタクトを確保する役割も担っている。なお、第２の介在層５ｂが複数の層からなり、上述したような拡散防止や電気的コンタクトなどの機能を、それぞれの層に担わせる構造であっても構わない。また、各層の機能は上述したものに限定されるものではない。
【００１５】
〔第４の実施形態〕
本発明の第４の実施形態となる半導体装置では、上記第１から第３のいずれかの実施形態となる半導体装置の構造において、チップ１に形成された純アルミニウムからなる電極２が、焼き鈍しなどの熱処理によって再結晶した組織となっている。一般的に蒸着やめっきなどによって形成された電極２は、微細な結晶粒から構成される可能性があり、その場合例えばホールペッチの法則としても知られるように、本来のバルクの降伏応力より高い降伏応力を示すことがある。これに対し、熱処理を加えた電極２を有するチップ１を搭載した半導体装置であれば、電極２を構成する純アルミニウムは十分に再結晶したバルクに近い安定した組織になっているため、降伏応力はバルク本来の理想的な値を示す（図５参照）。なお図５中、符号２ａおよび符号２ｂはそれぞれ熱処理を加える前および熱処理を加えた後の電極層を示し、熱処理を加えることにより結晶粒（符号２ｃは結晶粒界を示す）が大きくなっている様子を示している。
【００１６】
このような構造によれば、電極２の形成方法に依存する組織の違いから生じる降伏応力の上昇を元のバルクに近い理想的な強度に戻すことができ、上述した電極２と接合層４の強度関係を確実に実現することが可能となる。即ち、本発明における上述した効果を確実に得ることができる。
【００１７】
以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、この実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施形態となる半導体装置の構成を示す断面図である。
【図２】接合層の０．２％耐力と電極の０．２％耐力の関係を説明するための応力−歪曲線である。
【図３】本発明の第２の実施形態となる半導体装置の構成を示す断面図である。
【図４】本発明の第３実施形態となる半導体装置の構成を示す断面図である。
【図５】本発明の第４の実施形態となる半導体装置の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００１９】
１：半導体チップ
１ａ：主面
２：電極
３：基板
４：接合層
【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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