特許 7451455 半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-03-08

(45)【発行日】2024-03-18

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/28 20060101AFI20240311BHJP

   H01L 29/78 20060101ALI20240311BHJP

   H01L 29/739 20060101ALI20240311BHJP

   H01L 23/50 20060101ALI20240311BHJP

【ＦＩ】

H01L23/28 A

H01L29/78 652Q

H01L29/78 655Z

H01L23/28 J

H01L23/50 K

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2021046291

(22)【出願日】2021-03-19

(65)【公開番号】P2022145046

(43)【公開日】2022-10-03

【審査請求日】2023-02-02

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317011920

【氏名又は名称】東芝デバイス＆ストレージ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100119035

【弁理士】

【氏名又は名称】池上 徹真

(74)【代理人】

【識別番号】100141036

【弁理士】

【氏名又は名称】須藤 章

(74)【代理人】

【識別番号】100178984

【弁理士】

【氏名又は名称】高下 雅弘

(72)【発明者】

【氏名】川城 史義

【審査官】河合 俊英

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－２１９５２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－１６３００７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１６５４１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０４１８７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／１２６３４４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０２０／２１７３５８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００６－２４５３８９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２３／２８

Ｈ０１Ｌ ２９／７８

Ｈ０１Ｌ ２９／７３９

Ｈ０１Ｌ ２３／５０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体チップと、
前記半導体チップの周囲に設けられ、直方体状の形状を有し、底面の端部に凹部を有するモールド樹脂と、
前記凹部の第１上面に設けられ、前記半導体チップと電気的に接続された第１端子と、
第２上面を有する第２端子と、
前記第２上面に設けられ、前記第１端子に接続された第１部分と、前記凹部から突き出た第２部分と、を有する焼結材と、
を備える半導体装置。

【請求項2】

前記第２部分の膜厚は、前記第１部分の膜厚より厚い、
請求項１記載の半導体装置。

【請求項3】

前記焼結材は、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）又はＮｉ（ニッケル）を含む、
請求項１又は請求項２記載の半導体装置。

【請求項4】

前記焼結材は空乏部を有する、
請求項１乃至請求項３いずれか一項記載の半導体装置。

【請求項5】

前記空乏部の割合は、前記焼結材の２０％以下である、
請求項４記載の半導体装置。

【請求項6】

前記第２端子は、Ｃｕ（銅）を含む母材部と、前記母材部の表面に設けられはんだ接合可能な金属を含む第１膜と、を有する、
請求項１乃至請求項５いずれか一項記載の半導体装置。

【請求項7】

前記第２端子は、Ｃｕ（銅）を含む母材部と、前記母材部の表面に設けられＮ（窒素）を含む第２膜と、を有する、
請求項１乃至請求項５いずれか一項記載の半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、半導体装置に関する。

【背景技術】

【0002】

発電や送電、ポンプやブロアなどの回転機、通信システムや工場などの電源装置、交流モータによる鉄道、電気自動車、家庭用電化製品等の幅広い分野に向けた、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ－Ｅｆｆｅｃｔ－Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の、電力制御用に設計されたパワー半導体チップの開発が行われている。

【0003】

また、かかるパワー半導体チップを用いた、パワーモジュールとしての半導体装置の開発が行われている。このような半導体装置には、高電流密度化、低損失化、高放熱化等のスペックが要求されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０００－３３２１６２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明が解決しようとする課題は、供給能力の向上した半導体装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

実施形態の半導体装置は、半導体チップと、半導体チップの周囲に設けられ、直方体状の形状を有し、底面の端部に凹部を有するモールド樹脂と、凹部の第１上面に設けられ、半導体チップと電気的に接続された第１端子と、第２上面を有する第２端子と、第２上面に設けられ、第１端子に接続された第１部分と、凹部から突き出た第２部分と、を有する焼結材と、を備える。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】実施形態の半導体装置の模式図である。

【図2】実施形態の半導体装置の模式断面図である。

【図3】実施形態の半導体装置の模式底面図である。

【図4】実施形態の半導体装置の製造工程のフローチャートである。

【図5】比較形態となる半導体装置の模式斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明では、同一の部材等には同一の符号を付し、一度説明した部材等については適宜その説明を省略する。

【0009】

本明細書中、部品等の位置関係を示すために、図面の上方向を「上」、図面の下方向を「下」と記述する。本明細書中、「上」、「下」の概念は、必ずしも重力の向きとの関係を示す用語ではない。

【0010】

（実施形態）
実施形態の半導体装置は、半導体チップと、半導体チップの周囲に設けられ、直方体状の形状を有し、底面の端部に凹部を有するモールド樹脂と、凹部の第１上面に設けられ、半導体チップと電気的に接続された第１端子と、を備える。

【0011】

図１は、実施形態の半導体装置１００の模式図である。図１（ａ）は、実施形態の半導体装置１００の模式斜視図である。図１（ｂ）は、実施形態の半導体装置１００の模式底面図である。図１（ｃ）は、ＸＺ面に平行な面内における、実施形態の半導体装置１００の要部の模式断面図である。図２は、ＸＺ面に平行な面内における実施形態の半導体装置１００の模式断面図である。

【0012】

図１及び図２を用いて、実施形態の半導体装置１００について説明をする。

【0013】

リードフレーム２（図２）は、半導体チップ４が配置される、銅（Ｃｕ）等の導電性材料を含む板状部材である。

【0014】

半導体チップ４（図２）は、例えば、リードフレーム２の上に設けられている。半導体チップ４は、例えば縦型のＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であるが、これに限定されるものではない。例えば半導体チップ４がＭＯＳＦＥＴである場合、半導体チップ４の底面に設けられたドレイン電極５は、半導体チップ４とリードフレーム２の間に設けられた図示しない接合材により、リードフレーム２と電気的に接続されている。ここで接合材としては、はんだや銀の微粒子を含む導電性樹脂等が用いられる。例えば半導体チップ４の上面には、ソース電極６とゲート電極７が設けられている。

【0015】

モールド樹脂１０は、半導体チップ４の周囲に設けられている。モールド樹脂１０は、半導体チップ４を封止する樹脂である。モールド樹脂１０は、例えば、エポキシ樹脂等の樹脂である。なお、モールド樹脂１０は、さらにシリコン酸化物等のフィラーを含むものであってもかまわない。モールド樹脂１０は、直方体状の形状を有している。モールド樹脂１０の底面１１の端部１１ａには、凹部１２が設けられている。

【0016】

ここで、Ｘ方向と、Ｘ方向に対して垂直に交差するＹ方向と、Ｘ方向及びＹ方向に垂直に交差するＺ方向を定義する。モールド樹脂１０の底面１１は、ＸＹ面に平行であるものとする。

【0017】

例えば、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示したように、モールド樹脂１０の底面１１には、互いに対向する端部１１ａ及び端部１１ｂに、凹部１２ａ及び凹部１２ｂが設けられている。

【0018】

凹部１２ａには、第１上面１４ａが設けられている。第１上面１４ａには、第１端子２０ａ、第１端子２０ｂ、第１端子２０ｃ及び第１端子２０ｄが設けられている。

【0019】

凹部１２ｂには、第１上面１４ｂが設けられている。第１上面１４ｂには、第１端子２０ｅ、第１端子２０ｆ、第１端子２０ｇ及び第１端子２０ｈが設けられている。

【0020】

図２に示すように、第１端子２０ａは、リードフレーム２に接続されている。ここで、上記のようにリードフレーム２は半導体チップ４のドレイン電極５に接続されている。そのため、第１端子２０ａは、半導体チップ４のドレイン電極５に電気的に接続されている。なお、図示を省略するが、第１端子２０ｂ、第１端子２０ｃ及び第１端子２０ｄも、同様に、半導体チップ４のドレイン電極５に電気的に接続されている。

【0021】

図２に示すように、第１端子２０ｅは、半導体チップ４のゲート電極７と、例えばボンディングワイヤ８を介して接続されている。なお、第１端子２０ｅは、リボン、クリップ又はコネクタを介して、ゲート電極７と接続されていてもかまわない。なお、図示を省略するが、第１端子２０ｆ、第１端子２０ｇ及び第１端子２０ｈは、同様にして、例えばボンディングワイヤ、リボン、クリップ又はコネクタを介して、半導体チップ４のソース電極６に電気的に接続されている。なお、ボンディングワイヤ８、リボン、クリップ又はコネクタは、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｕ（金）又はＡｇ（銀）を含む。

【0022】

第２端子３０は、板状の部材である。第２端子３０は第２上面３２を有している。第２端子３０の膜厚は、例えば１００μｍ程度である。例えば、第１端子２０のＺ方向の厚みと第２端子３０のＺ方向の厚みの和ｔ_３（図２に図示）は、ＪＥＤＥＣ ＭＰ２４０に基づき、０．２３ｍｍ以上０．３３ｍｍ以下であることが好ましい。

【0023】

第１端子２０及び第２端子３０は、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ｎｉ（ニッケル）等の金属材料を含む。

【0024】

焼結材４０（図１（ｃ））は、第２上面３２に設けられている。焼結材４０の第１部分４２は、第１端子２０に接続されている。第２部分４４、及び第２部分４４が設けられた第２端子３０の部分は、モールド樹脂１０及び凹部１２から突き出て設けられている。

【0025】

焼結材４０は、電気伝導性を有する。ここで、かかる焼結材４０としては、例えばＡｇ（銀）、Ｃｕ（銅）又はＮｉ（ニッケル）の粒子を用いた焼結材４０が好ましく用いられる。焼結前においては、例えばＡｇ又はＣｕ等の微細粒子（ナノ粒子あるいはマイクロ粒子）の表面に保護膜が設けられて、有機溶剤に分散したものとなっている。そして、焼結により保護膜と有機溶剤は蒸発して、焼結材４０が形成される。

【0026】

なお、焼結材４０は、さらに樹脂を含んでいても良い。樹脂を含むことにより耐熱性を確保することができるためである。ここで樹脂としては、特に限定されないが、例えばエポキシ樹脂が好ましく用いられる。

【0027】

例えば、樹脂を含まない焼結材４０の場合には、例えばプレス機等を用いて接合される部分に圧力を加えながら焼結させても良い。樹脂を含む焼結材４０の場合には、上記の圧力を加えずに焼結させても良い。なお、焼結のプロセスは、上記の記載に限定されるものではない。

【0028】

焼結材４０の第１部分４２及び第２部分４４には、例えば、空乏部４６が設けられている。空乏部４６は、例えば、上記の焼結の際に、保護膜、有機溶剤又は樹脂等が蒸発することにより形成される。焼結材４０の空乏部４６の割合は、焼結材の２０％以下であることが好ましい。そして、焼結材４０の金属の割合は、焼結材４０の８０％以上であることが好ましい。なお、空乏部４６の個数や形状は、図１（ｃ）に図示されたものに限定されるものではない。

【0029】

焼結材４０の膜厚は、５μｍ以上２００μｍ以下であることが好ましい。

【0030】

第２部分４４の膜厚ｔ_２は、第１部分４２の膜厚ｔ_１より厚いことが好ましい。

【0031】

第１部分４２の膜厚は、例えば２０μｍ程度である。第２部分４４の膜厚は、例えば４０μｍ程度である。

【0032】

モールド樹脂１０からの、第２端子３０の突き出た部分の長さは、電気伝導性向上のため、できるだけ短いことが好ましく、例えば１００μｍ以下であることが好ましい。

【0033】

第２端子３０は、Ｃｕ（銅）を含む母材部３４と、母材部３４の底面３６（表面の一例）又は母材部３４の側面３８（表面の一例）に設けられた膜５０を有することが好ましい。ここで、膜５０（第１膜の一例）としては、Ｓｎ（スズ）、Ａｕ（金）、Ｃｕ（銅）又はＡｇ（銀）等の、はんだ接合可能な金属を含むことが好ましい。また、膜５０（第２膜の一例）としては、ＢＴＡ（ベンゾトリアゾール）等のＮ（窒素）を含む膜であることが好ましい。

【0034】

半導体装置１００に用いられている材料、半導体装置１００の構成要素の寸法、空乏部４６の割合等は、ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：走査型電子顕微鏡）、ＴＥＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：透過型電子顕微鏡）、オージェ電子分光法、ＸＰＳ（Ｘ－ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：Ｘ線光電子分光法）、ＥＤＸ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ－ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：エネルギー分散型Ｘ線分析）により測定することが出来る。

【0035】

図３は、実施形態の半導体装置の模式底面図である。図３（ａ）に示すように、底面１１において、半導体チップ４のドレイン電極５に電気的に接続されている第２端子３０ａ、第２端子３０ｂ、第２端子３０ｃ及び第２端子３０ｄは、半導体チップ４のソース電極６に電気的に接続されている第２端子３０ｆ、第２端子３０ｇ及び第２端子３０ｈと対向して設けられていることが好ましい。なお、図３（ｂ）に示すように、半導体チップ４のドレイン電極５に電気的に接続されている第２端子３０ａ、第２端子３０ｂ、第２端子３０ｃと、半導体チップ４のソース電極６に電気的に接続されている第２端子３０ｆ、第２端子３０ｇ及び第２端子３０ｈは、底面１１において隣接する辺にそれぞれ設けられていてもかまわない。

【0036】

図４は、実施形態の半導体装置の製造工程のフローチャートである。

【0037】

まず、「リードフレーム」工程として、リードフレーム２を準備する（Ｓ２）。

【0038】

次に、「半導体チップマウント」工程及び「第１端子マウント」工程として、半導体チップ４をリードフレーム２の上に、はんだ等の接合材を用いてマウントする。

【0039】

次に、「フラックス洗浄」工程として、半導体チップ４のマウントに用いた接合材にフラックスが含まれている場合には、フラックスを洗浄する（Ｓ６）。

【0040】

次に、「ワイヤボンディング」工程として、例えが半導体チップ４のソース電極６及びゲート電極７と第１端子２０を、例えば、ボンディングワイヤ８を用いて接続する（Ｓ８）。なお、ボンディングワイヤ８の代わりに、リボン、クリップ又はコネクタを用いて接続してもかまわない。

【0041】

次に、「モールド成形」工程として、リードフレーム２、半導体チップ４及び第１端子２０を、モールド樹脂１０を用いて封止する（Ｓ１０）。

【0042】

次に、「ブレードダイシング」工程として、凹部１２を形成するために、モールド樹脂１０の底面１１を、ブレードを用いて二段階でダイシングする。まず、第１ブレードを用い、Ｚ方向に、モールド樹脂１０の底面１１を切断する。ここで、第１ブレードを用いるときには、モールド樹脂１０をＺ方向に完全に切断しないようにする。次に、第１ブレードより細い第２ブレードを用い、第１ブレードで切断されたモールド樹脂１０の底面１１の部分を、Ｚ方向に切断する。そして、モールド外形で個片化する（Ｓ１２）。このようにして、凹部１２を形成することが出来る。

【0043】

次に、「第２端子マウント」工程として、焼結前の焼結材４０が第２上面３２に設けられた第２端子３０を、凹部にマウントする（Ｓ１４）。

【0044】

次に、「加圧プレス」工程として、加熱及び加圧により、第２上面３２に焼結材４０を形成し、第２端子３０と第１端子２０を接合する（Ｓ１６）。

【0045】

次に、「めっき」工程として、例えばめっきにより、第２端子３０の底面３６及び側面３８に、膜５０を形成する。これにより、実施形態の半導体装置１００を得る。

【0046】

なお、実施形態の半導体装置１００の製造方法は、上記のものに限定されるものではない。

【0047】

次に、実施形態の半導体装置の作用効果を記載する。

【0048】

図５は、比較形態となる半導体装置８００の模式斜視図である。

【0049】

半導体チップ４をモールド樹脂１０で封止した半導体装置には、図５（ａ）に示した半導体装置８００ａのように、第１端子２０がモールド樹脂１０から突き出ていない装置と、図５（ｂ）に示した半導体装置８００ｂのように、第１端子２０がモールド樹脂１０から突き出た装置と、がある。半導体装置８００ａは、第１端子２０がモールド樹脂１０から突き出ていないため、図示しないプリント基板等の基板の上に、高密度で搭載することが可能である。一方、半導体装置８００ｂは、第１端子２０がモールド樹脂１０から突き出ているため、半導体装置８００ａと比較して、より大きな実装面積（接合面積）で、図示しないプリント基板等の基板と接合することが可能である。よって、実装面積が大きくなるので、より高い信頼性を得ることが可能である。

【0050】

このように、同じ半導体チップ４を用いた半導体装置であっても、その目的によって、半導体装置８００ａが求められる場合と、半導体装置８００ｂが求められる場合がある。しかし、半導体装置８００ａと半導体装置８００ｂでは、製造プロセスが異なるため、使用目的や顧客要望に応じて、求められる装置を提供することが困難である場合があった。

【0051】

そこで、実施形態の半導体装置は、半導体チップ４と、半導体チップ４の周囲に設けられ、直方体状の形状を有し、底面の端部に凹部を有するモールド樹脂１０と、凹部の第１上面１４に設けられ、半導体チップ４と電気的に接続された第１端子２０と、を備える。

【0052】

この半導体装置によれば、第２端子３０を有しない、又は有する、の使い分けをすることにより、図５に示した半導体装置８００ａ及び半導体装置８００ｂのいずれも提供することが可能となる。そのため、供給能力の向上した半導体装置の提供が可能となる。

【0053】

第２上面３２を有する第２端子３０と、第２上面３２に設けられ、第１端子２０に接続された第１部分４２と、凹部から突き出た第２部分４４と、を有する焼結材４０と、をさらに備えることにより、端子がモールド樹脂１０から突き出た半導体装置の提供が可能となる。なお、第２部分４４が設けられていることにより、半導体チップ４からの、第１端子２０及び第２端子３０を介した放熱性が向上する。

【0054】

Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）又はＮｉ（ニッケル）を含む焼結材４０は、良好な電気伝導性を示す。また、かかる焼結材４０は、半導体装置１００を、はんだ等を用いてプリント基板等の基板に実装する際に、例えば２６０℃程度の温度では溶解しない。そのため、半導体装置１００を、プリント基板等の基板に、良好に実装することが出来る。

【0055】

加圧プレスにより第２端子３０を第１端子２０に接合する場合、第１部分４２は第１端子２０に接続されているため、かかる加圧プレスのためにつぶれる。そのために、第１端子２０に接続されていない第２部分４４の膜厚ｔ_２は、第１部分４２の膜厚ｔ_１より厚い。

【0056】

焼結の際に、焼結材４０には、空乏部４６が形成される。空乏部４６の割合が、焼結材４０の２０％以下である場合、金属が多くなるため、良好な電気伝導性を得ることができる。

【0057】

第２端子３０が、Ｃｕ（銅）を含む母材部３４と、母材部３４の表面に設けられはんだ接合可能な金属を含む膜５０と、を有する場合、プリント基板等の基板への実装を容易に行うことが出来る。

【0058】

第２端子３０が、Ｃｕ（銅）を含む母材部３４と、母材部３４の表面に設けられＮ（窒素）を含む膜５０と、を有する場合、耐酸化性の強い第２端子３０を得ることができる。

【0059】

焼結材４０の膜厚は、５μｍ以上２００μｍ以下であることが好ましい。これは、５μｍ未満の場合、薄すぎて第１端子２０と第２端子３０の接合性が低下するためである。また、２００μｍより大きい場合、膜厚が厚すぎるため、空乏部４６の体積が大きくなり、強度が落ちやすくなるためである。

【0060】

実施形態の半導体装置によれば、供給能力の向上した半導体装置の提供が可能となる。

【0061】

本発明のいくつかの実施形態及び実施例を説明したが、これらの実施形態及び実施例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことが出来る。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0062】

２ ：リードフレーム
４ ：半導体チップ
５ ：ドレイン電極
６ ：ソース電極
７ ：ゲート電極
８ ：ボンディングワイヤ
１０ ：モールド樹脂
１１ ：底面
１１ａ ：底面の端部
１２ ：凹部
１４ ：第１上面
２０ ：第１端子
３０ ：第２端子
３２ ：第２上面
３４ ：母材部
３６ ：母材部の底面
３８ ：母材部の側面
４０ ：焼結材
４２ ：第１部分
４４ ：第２部分
４６ ：空乏部
５０ ：膜（第１膜、第２膜）
１００ ：半導体装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】