特開 2024-173437 半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024173437

(43)【公開日】2024-12-12

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/36 20060101AFI20241205BHJP

   H01L 23/373 20060101ALI20241205BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20241205BHJP

【ＦＩ】

H01L23/36 D

H01L23/36 M

H05K7/20 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023091854

(22)【出願日】2023-06-02

(71)【出願人】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】520124752

【氏名又は名称】株式会社ミライズテクノロジーズ

(74)【代理人】

【識別番号】110001128

【氏名又は名称】弁理士法人ゆうあい特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 功二

(72)【発明者】

【氏名】岩橋 清太

(72)【発明者】

【氏名】宮脇 正太郎

【テーマコード（参考）】

5E322

5F136

【Ｆターム（参考）】

5E322AA03

5E322EA11

5E322FA04

5F136BA30

5F136BC02

5F136DA17

5F136DA25

5F136FA01

5F136FA03

5F136FA12

5F136FA51

(57)【要約】

【課題】半導体チップと放熱部材との接合性が低下することを抑制する。
【解決手段】搭載部材１０と、搭載部材１０上に配置される半導体チップ５０と、半導体チップ５０を挟んで搭載部材１０と反対側に配置される放熱部材７０と、半導体チップ５０と放熱部材７０との間に配置され、ガリウムを含む液体金属８１で構成された接合部材８０と、搭載部材１０と放熱部材８０との間に配置され、半導体チップ５０および液体金属８０を封止するシール部材９０と、を備え、接合部材８０は、水素吸蔵物８２を含んで構成されるようにする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体装置であって、
搭載部材（１０）と、
前記搭載部材上に配置される半導体チップ（５０）と、
前記半導体チップを挟んで前記搭載部材と反対側に配置される放熱部材（７０）と、
前記半導体チップと前記放熱部材との間に配置され、ガリウムを含む液体金属（８１）で構成された接合部材（８０）と、
前記搭載部材と前記放熱部材との間に配置され、前記半導体チップおよび前記液体金属を封止するシール部材（９０）と、を備え、
前記接合部材は、水素吸蔵物（８２）を含んで構成されている半導体装置。

【請求項2】

前記水素吸蔵物は、マグネシウムおよびニッケルを含む合金で構成されている請求項１に記載の半導体装置。

【請求項3】

前記水素吸蔵物がＭｇ_２Ｎｉであり、
前記水素吸蔵物は、前記液体金属の質量をＡ［ｇ］、前記液体金属の液量をＸＡ［ｍＬ］とすると、前記液体金属の液量に対し、１．１１×１０^－３／Ｘ［％］以上含まれている請求項２に記載の半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体チップと放熱部材とを液体金属で構成される接合部材を介して接合した半導体装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来より、例えば、特許文献１には、半導体チップと放熱部材とを液体金属で構成される接合部材を介して接合した半導体装置が提案されている。具体的には、この半導体装置では、配線基板上に半導体チップが搭載され、半導体チップが放熱部材と液体金属を介して接合されている。また、配線基板と放熱部材との間には、半導体チップおよび液体金属が密閉されるように、シール部材が配置されている。なお、液体金属は、ガリウムを含んで構成される。

【0003】

これによれば、接合部材が液体金属で構成されているため、半導体チップと放熱部材との接合性を高くできる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】国際公開第２０２０／１６２４１７号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上記のような半導体装置を高湿度環境下で使用する場合、水分がシール材を透過する可能性がある。そして、水分が液体金属に到達した場合には、液体金属に含まれるガリウムが水分（すなわち、水）と反応して水素を発生する。この場合、水素よって液体金属が押し出されたり、液体金属の内部に水素による気泡が構成され、半導体チップと放熱部材との接合性が低下して放熱性が低下する。

【0006】

本発明は上記点に鑑み、半導体チップと放熱部材との接合性が低下することを抑制できる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】

【0007】

上記目的を達成するための請求項１は、半導体装置であって、搭載部材（１０）と、搭載部材上に配置される半導体チップ（５０）と、半導体チップを挟んで搭載部材と反対側に配置される放熱部材（７０）と、半導体チップと放熱部材との間に配置され、ガリウムを含む液体金属（８１）で構成された接合部材（８０）と、搭載部材と放熱部材との間に配置され、半導体チップおよび液体金属を封止するシール部材（９０）と、を備え、接合部材は、水素吸蔵物（８２）を含んで構成されている。

【0008】

これによれば、接合部材は、液体金属に水素吸蔵物が混入されて構成されている。このため、水分が液体金属に到達して水素が発生したとしても、当該水素を水素吸蔵物で吸収でき、液体金属が水素によって押し出されることを抑制できる。したがって、半導体チップと放熱部材との接合性が低下することを抑制できる。

【0009】

なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】第１実施形態における半導体装置の断面図である。

【図2】図１に示す半導体装置の平面図である。

【図3】比較例の半導体装置における水素が発生した状態を示す断面図である。

【図4】本実施形態の半導体装置における水素が発生した状態を示す断面図である。

【図5】時間と水素発生量との関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

【0012】

（第１実施形態）
第１実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、本実施形態の半導体装置は、例えば、車両に搭載され、車両用の各種電子装置を駆動するための半導体装置を構成するのに適用されると好適である。また、本実施形態の半導体装置は、高温度、高湿度環境下で使用されることも可能である。

【0013】

半導体装置は、図１および図２に示されるように、搭載部材１０、半導体チップ５０、放熱部材７０、接合部材８０、シール部材９０等を備えている。なお、図２では、放熱部材７０を省略して示している。また、図１は、図２中のI－I線に沿った断面図である。

【0014】

搭載部材１０は、本実施形態では支持基板２０および接続基板３０が積層されて構成されている。支持基板２０は、一面１０ａを有するプリント基板やセラミック基板等で構成され、増幅回路や信号処理等が適宜形成されていると共に、図示しないコンデンサや抵抗等の電子部品が適宜搭載されている。

【0015】

接続基板３０は、一面３０ａおよび他面３０ｂを有するインターポーザ基板等であり、他面３０ｂが支持基板２０の一面２０ａと接合部材４０を介して接合されている。なお、接合部材４０は、例えば、はんだで構成される。

【0016】

半導体チップ５０は、ＭＯＳＦＥＴ（metal oxide semiconductor field effect transistorの略）素子やＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistorの略）素子等のパワー素子が形成されて構成されている。そして、接続基板３０の一面３０ａに接合部材６０を介して接合されている。また、本実施形態では、半導体チップ５０と接続基板３０との間には、接合部材６０を被覆するようにアンダーフィル等の保護部材６１が配置されている。

【0017】

放熱部材７０は、銅等で構成されるヒートシンクや筐体等であり、半導体チップ５０を挟んで搭載部材１０と反対側に配置され、接合部材８０を介して半導体チップ５０と接続されている。

【0018】

接合部材８０は、半導体チップ５０と放熱部材７０との間に配置されて半導体チップ５０と放熱部材７０とを熱的に接続するものであり、ガリウムを含む液体金属８１に水素吸蔵物８２が混入されて構成されている。なお、水素吸蔵物８２については、後述する。

【0019】

シール部材９０は、半導体チップ５０および接合部材８０を封止するように、接続基板３０と放熱部材７０との間に配置されている。そして、半導体チップ５０および接合部材８０等は、接続基板３０（すなわち、搭載部材１０）、放熱部材７０、シール部材９０で封止された空間に配置された状態となっている。なお、シール部材９０は、例えば、Ｏリング等が用いられる。

【0020】

以上が本実施形態における半導体装置の構成である。次に、本実施形態の接合部材８０の機能について説明する。

【0021】

接合部材８０を構成する液体金属８１は、上記のように、ガリウムを含んで構成されている。このため、水分がシール部材９０を透過して液体金属８１に達すると、下記化学式１の反応によって水素が発生する。

【0022】

（化１）２Ｇａ＋３Ｈ_２Ｏ←Ｇａ_２Ｏ_３＋３Ｈ_２
そして、接合部材８０が液体金属８１のみで構成されている半導体装置を比較例の半導体装置とすると、図３に示されるように、比較例の半導体装置では、発生した水素Ｈ_２によって液体金属８１が押し出され、接合性が低下する。

【0023】

このため、本実施形態の接合部材８０は、液体金属８１内に、水素吸蔵物８２が混入されて接合部材８０が構成されている。これにより、図４に示されるように、液体金属８１内に水素Ｈ_２が発生した場合、水素吸蔵物８２によって水素Ｈ_２を吸収して蓄積することができ、液体金属８１が水素Ｈ_２によって押し出されることを抑制できる。

【0024】

この場合、水素吸蔵物８２は、水素吸蔵量が大きく、放出温度が高い材料で構成されることが好ましい。つまり、水素吸蔵物８２は、水素Ｈ_２を吸収し易く、高温になるまで水素Ｈ_２を放出し難い材料で構成されることが好ましい。本発明者らが検討したところ、Ｍｇ（すなわち、マグネシウム）およびＮｉ（すなわち、ニッケル）を含む合金は、水素吸蔵量が大きいと共に放出温度が高い材料であることが確認された。例えば、ＭｇおよびＮｉを含む合金としてのＭｇ_２Ｎｉは、水素吸蔵量が３．６ｗｔ％であり、水素放出温度が２５３°であるために好ましい。なお、高温になるまで水素Ｈ_２を放出し難い材料とは、半導体装置の想定される使用温度より高い温度まで水素Ｈ_２を放出し難い材料のことである。

【0025】

ここで、車載用部品は、例えば、８５℃、８５％Ｒｈ、１０００ｈ（すなわち、時間）の条件で信頼性を維持できるか否かの信頼性試験が行われる（例えば、特開２０１９－１４４５５２号公報）。そして、本発明者らは、以下の検討を行い、このような信頼性試験においても十分に半導体装置の信頼性を維持できる水素吸蔵物８２の割合を見出した。なお、以下は、水素吸蔵物８２をＭｇ_２Ｎｉで構成した場合の結果である。

【0026】

まず、本発明者らは、図５に示されるように、１０ｇの液体金属８１を８５℃の水中に維持した場合、３時間（すなわち、１８０分）で１．５［ｍＬ］の水素が発生することを確認した。このため、液体金属８１がＡ［ｇ］である場合には、下記数式１より、水素Ｈ_２の発生速度が０．０５Ａ［ｍＬ／ｈ］となる。なお、Ａは変数であり、例えば、Ａ＝０．４［ｇ］の場合には、水素Ｈ_２の発生速度が０．０２［ｍＬ／ｈ］となる。

【0027】

（数１）１．５［ｍＬ］／３［ｈ］×（Ａ［ｇ］／１０［ｇ］）＝０．０５Ａ［ｍＬ／ｈ］
そして、反応速度が水密度（すなわち、水蒸気密度）に比例すると仮定すると、８５℃、８５％Ｒｈでの反応速度は、８５℃、８５％Ｒｈでの水蒸気密度が２９９×１０^６［ｇ／ｃｍ^３］であるため、下記数式２より、１．５Ａ×１０^－５［ｍＬ／ｈ］となる。

【0028】

（数２）０．０５Ａ［ｍＬ／ｈ］×２９９／１０^６［ｇ／ｃｍ^３］＝１．５Ａ×１０^－５［ｍＬ／ｈ］
このため、１０００ｈでＡ［ｇ］の液体金属８１から放出される水素は、下記数式３より、１．５Ａ×１０^－２［ｍＬ］となる。

【0029】

（数３）１．５Ａ×１０^－５［ｍＬ／ｈ］×１０００［ｈ］＝１．５Ａ×１０^－２［ｍＬ］
そして、１ｍｏｌの気体の体積は２２．４Ｌであるため、下記数式４より、１０００ｈで発生する水素のｍｏｌ数は、６．７Ａ×１０^－７［ｍｏｌ］となる。

【0030】

（数４）１．５Ａ×１０^－２［ｍＬ］／（２２．４×１０^３）［ｍＬ／ｍｏｌ］＝６．７Ａ×１０^－７［ｍｏｌ］
また、Ｍｇ_２Ｎｉは、下記化学式２より、１［ｍｏｌ］のＭｇ_２Ｎｉあたり、水素を２［ｍｏｌ］吸収する。

【0031】

（化２）Ｍｇ_２Ｎｉ＋２Ｈ_２＝Ｍｇ_２ＮｉＨ_４
ここで、Ｍｇ_２Ｎｉの体積は、３１．２［ｃｍ^３／ｍｏｌ］であるため、水素１ｍｏｌを吸収するＭｇ_２Ｎｉの体積は、下記数式５より、１６．６［ｃｍ^３／ｍｏｌ］となる。

【0032】

（数５）３１．２［ｃｍ^３／ｍｏｌ］÷２＝１６．６［ｃｍ^３／ｍｏｌ］
したがって、１０００ｈで発生する水素を吸収するのに必要なＭｇ_２Ｎｉの体積は、下記数式６より、１．１１Ａ×１０^－５［ｃｍ^３］となる。

【0033】

（数６）１６．６［ｃｍ^３／ｍｏｌ］×６．７Ａ×１０^－７［ｍｏｌ］＝１．１１Ａ×１０^－５［ｃｍ^３］
そして、液体金属８１の質量Ａに対応する液体金属８１の液量をＸＡ（但し、Ｘは変数）とすると、液体金属８１に含まれるＭｇ_２Ｎｉの割合は、下記数式７より、１．１１×１０^－３／Ｘ［％］となる。

【0034】

（数７）（１．１１Ａ×１０^－５／ＸＡ）×１００＝１．１１×１０^－３／Ｘ［％］
例えば、液体金属８１の質量が０．４ｇであって、液体金属８１の液量が０．０７ｍＬである場合、上記各式におけるＡが０．４となり、Ｘが０．１７５となる。この場合、液体金属８１に含まれる水素吸蔵物８２としてのＭｇ_２Ｎｉは、液体金属８１の液量に対して６．３×１０^－３［％］以上含まれていれば、車載用部品としての信頼性を十分に確保できる。

【0035】

以上説明した本実施形態によれば、接合部材８０は、液体金属８１に水素吸蔵物８２が混入されて構成されている。このため、水分が液体金属８１に到達して水素Ｈ_２が発生したとしても、当該水素Ｈ_２を水素吸蔵物８２で吸収でき、液体金属８１が水素Ｈ_２によって押し出されることを抑制できる。したがって、半導体チップ５０と放熱部材７０との接合性が低下することを抑制できる。

【0036】

（１）本実施形態では、水素吸蔵物８２がＭｇおよびＮｉを含む合金で構成されている。このため、水素吸蔵物８２は、水素Ｈ_２を吸収し易く、高温になるまで水素Ｈ_２を放出し難くなる。

【0037】

（２）本実施形態では、液体金属８１に水素吸蔵物８２としてのＭｇ_２Ｎｉを混入させる場合、液体金属８１の質量をＡ［ｇ］、液体金属８１の液量をＸＡ［ｍＬ］とすると、水素吸蔵物８２は、１．１１×１０^－３／Ｘ［％］以上混入されていれば、車載用部品としての信頼性を十分に確保できる。

【0038】

（他の実施形態）
本開示は、実施形態に準拠して記述されたが、本開示は当該実施形態や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

【0039】

例えば、上記第１実施形態において、搭載部材１０は、支持基板２０のみで構成されていてもよいし、接続基板３０のみで構成されていてもよい。

【0040】

また、上記第１実施形態において、水素吸蔵物８２は、ＭｇおよびＮｉを含む合金でなくてもよい。但し、水素吸蔵物８２は、上記のように、水素Ｈ_２を吸収し易く、高温になるまで水素Ｈ_２を放出し難い材料で構成されることが好ましい。

【符号の説明】

【0041】

１０ 搭載部材
５０ 半導体チップ
７０ 放熱部材
８０ 接合部材
８１ 液体金属
８２ 水素吸蔵物

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】