(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】2024-10-31
(45)【発行日】2024-11-11
(54)【発明の名称】半導体装置および半導体装置の製造方法
(51)【国際特許分類】
H01L 21/52 20060101AFI20241101BHJP
H01L 23/12 20060101ALI20241101BHJP
【FI】
H01L21/52 A
H01L23/12 F
H01L21/52 C
(21)【出願番号】P 2021187610
(22)【出願日】2021-11-18
【審査請求日】2023-11-07
(73)【特許権者】
【識別番号】000006013
【氏名又は名称】三菱電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100088672
【氏名又は名称】吉竹 英俊
(74)【代理人】
【識別番号】100088845
【氏名又は名称】有田 貴弘
(72)【発明者】
【氏名】倉永 誠也
(72)【発明者】
【氏名】森下 幸紘
【審査官】豊島 洋介
(56)【参考文献】
【文献】特開2014-060211(JP,A)
【文献】特開2004-119568(JP,A)
【文献】国際公開第2018/220819(WO,A1)
【文献】特開2011-066078(JP,A)
【文献】実開昭56-084356(JP,U)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01L21/52
H01L21/58
H01L23/12-23/15
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
絶縁層と、前記絶縁層の表面に設けられた回路パターンとを有する絶縁基板と、
前記回路パターンの表面の搭載部にはんだを介して接合された半導体素子と、を備え、
前記搭載部の外周縁の一辺に沿う領域のみに溝部が直線状に設けられた、半導体装置。
【請求項2】
絶縁層と、前記絶縁層の表面に設けられた回路パターンとを有する絶縁基板と、
前記回路パターンの表面の搭載部にはんだを介して接合された半導体素子と、を備え、
前記搭載部の四隅の
1つとその周囲の領域
のみに
溝部が半球状に設けられた
、半導体装置。
【請求項3】
請求項1
または請求項2に記載の半導体装置を製造する製造方法であって、
(a)前記回路パターンの表面に前記溝部を設けた前記絶縁基板を準備する工程と、
(b)前記搭載部に硬化前のはんだを配置する工程と、
(c)前記硬化前のはんだの上に前記半導体素子を配置する工程と、
(d)前記硬化前のはんだを加熱して溶融させた後、溶融したはんだを冷却して硬化させることで前記半導体素子を前記搭載部に接合する工程と、を備え、
前記工程(d)において、前記溝部は、前記溶融したはんだが硬化する際にその一部が噴き出す箇所の周辺領域に設けられた、半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
半導体素子を備える半導体装置では、樹脂またはセラミック等で構成された絶縁層の上面に回路パターンが形成された絶縁基板と金属等で構成されたベース板との接合、および回路パターンと半導体素子との接合に対して、はんだが用いられることが一般的である。
【0003】
回路パターンに配置された硬化前のはんだの上に半導体素子が配置され、硬化前のはんだを加熱して溶融させた後、溶融したはんだを冷却して硬化させることで回路パターンと半導体素子とを接合する。溶融したはんだが硬化する際にその一部が半導体素子の下側から噴き出した場合、半導体装置内の部材である、電気配線および半導体素子の表面にはんだが付着し課題となっていた。
【0004】
電気配線および半導体素子の表面にはんだが付着することを抑制するために、例えば、特許文献1,2には、半導体素子の下側から噴き出したはんだを溜めるための溝部を設けた構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開2004-119568号公報
【文献】特開2007-60221号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、特許文献1,2に記載の構造では、溝部は半導体素子の周囲を囲むように全周に渡って設けられているため、回路パターンの加工費が高価になる。
【0007】
さらに、溝部が半導体素子の全周に渡って設けられている場合、溶融したはんだが凝固する際の最終凝固点が不明である。はんだの収縮による大きな応力が半導体素子の外縁部に発生した場合、はんだが溝部を超えて噴き出す可能性があるため、溝部の全周に渡って品質保証のための外観検査が必要となり検査費用が増加する。以上より、半導体装置の製造コストが増加するという問題があった。
【0008】
そこで、本開示は、半導体素子の下側から噴き出したはんだが半導体装置内の他の部材に付着することを抑制し、かつ、半導体装置の製造コストが増加することを抑制可能な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】
【0009】
本開示に係る半導体装置は、絶縁層と、前記絶縁層の表面に設けられた回路パターンとを有する絶縁基板と、前記回路パターンの表面の搭載部にはんだを介して接合された半導体素子とを備え、前記搭載部の外周縁の一辺に沿う領域のみに溝部が直線状に設けられたものである。
【発明の効果】
【0010】
本開示によれば、半導体素子の下側から噴き出したはんだが溝部に流れ込むことで、はんだが半導体装置内の他の部材に付着することを抑制できる。さらに、溝部を搭載部の全周に渡って設けた場合よりも、回路パターンの加工費を抑えることができると共に、溝部に限定して外観検査を行うことで、外観検査時間を短縮することができ、外観検査のための費用を抑えることができる。以上より、半導体装置の製造コストが増加することを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【
図1】実施の形態1に係る半導体装置の一部を取り出した部分断面図である。
【
図2】実施の形態1に係る半導体装置が備える絶縁基板の上面図である。
【
図3】実施の形態2に係る半導体装置の一部を取り出した部分断面図である。
【
図4】実施の形態2に係る半導体装置が備える絶縁基板の上面図である。
【
図5】実施の形態3に係る半導体装置の一部を取り出した部分断面図である。
【
図6】実施の形態3に係る半導体装置が備える絶縁基板の上面図である。
【
図7】実施の形態4に係る半導体装置の一部を取り出した部分断面図である。
【
図8】実施の形態4に係る半導体装置が備える絶縁基板の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
<実施の形態1>
<半導体装置の構成>
実施の形態1について、図面を用いて以下に説明する。
図1は、実施の形態1に係る半導体装置の一部を取り出した部分断面図である。
図2は、実施の形態1に係る半導体装置が備える絶縁基板4の上面図である。
【0013】
図1に示すように、半導体装置は、ベース板1と、絶縁基板4と、半導体素子6とを備える。ベース板1の材質は特に限定されないが、ベース板1は、銅または銅合金を主たる材料として構成されることが多い。また、ベース板1は、アルミニウムおよびアルミニウム合金などの金属材料、またはAlSiCおよびMgSiCなどの複合材料を主たる材料として構成されていてもよいし、これらの表面にニッケルおよび銅などのメッキが施されていてもよい。
【0014】
図1と
図2に示すように、絶縁基板4は、ベース板1の上面にはんだ5bを介して接合される。絶縁基板4は、表面と裏面とを有する絶縁層2と、表面回路パターン3aと、裏面回路パターン3bとを備える。絶縁層2、表面回路パターン3a、および裏面回路パターン3bは上面視で矩形状に形成される。
【0015】
絶縁層2の材質は特に限定されないが、絶縁層2は、アルミナ(Al2O3)、窒化アルミニウム(AlN)、および窒化ケイ素(Si3N4)などの無機セラミック材料を主たる材料として構成されていてもよいし、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、PPS(Polyphenylenesulfide)樹脂などの樹脂材料を主たる材料として構成されていてもよい。
【0016】
表面回路パターン3aは、絶縁層2の表面に設けられる。裏面回路パターン3bは絶縁層2の裏面に設けられる。
【0017】
表面回路パターン3aと裏面回路パターン3bの材質は特に限定されないが、表面回路パターン3aと裏面回路パターン3bは、銅または銅合金を主たる材料として構成されることが多い。また、表面回路パターン3aと裏面回路パターン3bは、アルミニウムおよびアルミニウム合金などの金属材料を主たる材料として構成されていてもよいし、これらの表面にニッケルおよび銅などのメッキが施されていてもよい。
【0018】
表面回路パターン3aと裏面回路パターン3bは同じ材料を主たる材料として構成されていてもよいし、異なる材料を主たる材料として構成されていてもよい。また、裏面回路パターン3bは、ベース板1を兼ねていてもよい。その場合、ベース板1を兼ねた裏面回路パターン3bの上に絶縁層2が設けられ、その上に表面回路パターン3aが設けられた構造となる。ここで、表面回路パターン3aが、絶縁層2の表面に設けられた回路パターンに相当する。
【0019】
半導体素子6は、表面回路パターン3aの表面の搭載部7にはんだ5aを介して接合される。搭載部7は、表面回路パターン3aの表面において、半導体素子6が接合される接合領域である。半導体素子6は、ケイ素(Si)、炭化ケイ素(SiC)、または窒化ガリウム(GaN)などを主たる材料として構成される。また、半導体素子6は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、FwDi(Free Wheeling Diode)、または逆導通IGBT(RC-IGBT:Reverse Conducting IGBT)などの電力半導体素子である。
【0020】
はんだ5a,5bの材質は特に限定されないが、はんだ5a,5bはSn-Ag-Cu合金およびSn-Sb合金などのはんだ合金を主たる材料として構成されていてもよい。また、はんだ5a,5bは、フラックスを含有していてもよいし、含有していなくてもよい。はんだ5a,5bの接合前の形態も特に限定されないが、板状(固体)であってもよいし、ペースト状であってもよい。はんだ5a,5bの厚みは、後述の溝部8以外の箇所で100μm以上150μm以下程度が好ましい。
【0021】
図示しないが、半導体素子6と絶縁基板4の側面を囲むように、ベース板1の周囲上にはPPS樹脂などの熱可塑性を有する樹脂を主たる材料として構成されたケースが設けられ、その内側は、シリコンゲル材またはエポキシ樹脂により封止される。また、半導体素子6は1つに限定されることなく、複数の半導体素子6が搭載されていてもよい。その場合、複数の半導体素子6は金属ワイヤにより内部配線され電気的に接続される。
【0022】
表面回路パターン3aの表面には、半導体素子6が搭載される箇所である搭載部7が設けられる。図示しないが、半導体素子6と搭載部7の上面視形状は共に矩形状であり、搭載部7の上面視輪郭は、半導体素子6の上面視輪郭よりも大きい。
【0023】
表面回路パターン3aの表面における搭載部7の一部を含む領域には、溝部8が設けられる。溝部8は、搭載部7の外周縁の一辺を含む領域に直線状に設けられる。溝部8は、溶融したはんだ5aが凝固する際に噴き出したはんだ5aを溜める機能と、はんだ5aの噴き出し箇所を溝部8の周辺領域に誘導する機能とを有する。後者の機能について簡単に説明すると、溝部8に満たされたはんだ5aにより溝部8の熱容量が大きくなることで、はんだ5aの最終凝固点が溝部8となる。これにより、はんだ5aの噴き出し箇所を溝部8の周辺領域に誘導することができる。
【0024】
従来、はんだ5aの噴き出し箇所が特定できず、搭載部7の全周に渡って外観検査を行う必要があったが、はんだ5aの噴き出し箇所を溝部8の周辺領域に誘導することができるため、溝部8に限定して外観検査を行えばよい。これにより、外観検査時間を短縮することができ、外観検査のための費用を抑えることができる。
【0025】
溝部8の断面形状は曲面形状が好ましいが、V字状または凹状であっても問題はない。溝部8の深さは、表面回路パターン3aの厚みよりも浅く、はんだ5aの厚みが局所的に大きくなることを避けるため、20μm以上30μm以下程度で浅く形成することが好ましい。溝部8の幅は、500μm以上1mm以下で形成することが好ましい。
【0026】
溝部8の形成方法は特に限定されないが、切削加工であってもよいし、金型プレス加工であってもよい。またはレーザー照射であってもよい。
【0027】
また、溝部8の形成箇所は、搭載部7の外周縁の一辺を含む領域であれば特に限定されないが、絶縁基板4と半導体素子6の組み合わせ、サイズ、およびはんだ5aが溶融する際の温度プロファイル等の条件に応じて、はんだ5aが噴き出す箇所が予測できる場合、その周辺領域に溝部8を形成することが好ましい。
【0028】
<作用効果>
実施の形態1に係る半導体装置の作用効果を説明するために、半導体装置の製造方法について簡単に説明する。
【0029】
先ず、表面回路パターン3aの表面に溝部8を設けた絶縁基板4を準備する。上記のように、溝部8は、切削加工、金型プレス加工、またはレーザー照射により形成される。次に、搭載部7に硬化前のはんだ5aを配置した後、硬化前のはんだ5aの上に半導体素子6を配置する。
【0030】
次に、硬化前のはんだ5aを加熱して溶融させた後、溶融したはんだ5aを冷却して硬化させることで半導体素子6を搭載部7に接合する。このとき、溶融したはんだ5aの一部は吹き出そうとするが、搭載部7の一部を含む領域に溝部8が設けられているため、溶融したはんだ5aの一部は溝部8に流れ込み、この状態で硬化する。
【0031】
以上のように、実施の形態1に係る半導体装置は、絶縁層2と、絶縁層2の表面に設けられた表面回路パターン3aとを有する絶縁基板4と、表面回路パターン3aの表面の搭載部7にはんだ5aを介して接合された半導体素子6とを備え、搭載部7の一部を含む領域に溝部8が設けられている。
【0032】
具体的には、溝部8は、搭載部7の外周縁の一辺を含む領域に直線状に設けられている。溝部8は、搭載部7の一部を含む領域である、半導体素子6の下側から噴き出したはんだ5aが溝部8に流れ込むことで、はんだ5aが半導体装置内の他の部材に付着することを抑制できる。また、溝部8を搭載部7の全周に渡って設けた場合よりも、表面回路パターン3aの加工費を抑えることができる。さらに、上記のように、はんだ5aの噴き出し箇所を溝部8の周辺領域に誘導することができるため、溝部8に限定して外観検査を行うことで、外観検査時間を短縮することができ、外観検査のための費用を抑えることができる。以上より、半導体装置の製造コストが増加することを抑制できる。
【0033】
また、実施の形態1に係る半導体装置の製造方法は、表面回路パターン3aの表面に溝部8を設けた絶縁基板4を準備する工程(a)と、搭載部7に硬化前のはんだ5aを配置する工程(b)と、硬化前のはんだ5aの上に半導体素子6を配置する工程(c)と、硬化前のはんだ5aを加熱して溶融させた後、溶融したはんだ5aを冷却して硬化させることで半導体素子6を搭載部7に接合する工程(d)とを備え、工程(d)において、溝部8は、溶融したはんだ5aが硬化する際にその一部が噴き出す箇所の周辺領域に設けられている。
【0034】
したがって、半導体素子6の下側から噴き出したはんだ5aが溝部8に流れ込みやすくなるため、はんだ5aが半導体装置内の他の部材に付着することを抑制する効果をさらに向上させることができる。
【0035】
<実施の形態2>
次に、実施の形態2に係る半導体装置について説明する。
図3は、実施の形態2に係る半導体装置の一部を取り出した部分断面図である。
図4は、実施の形態2に係る半導体装置が備える絶縁基板4の上面図である。なお、実施の形態2において、実施の形態1で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
【0036】
図3と
図4に示すように、実施の形態2では、溝部8は、搭載部7の中央部に半球状に設けられている。
【0037】
溝部8の深さは、表面回路パターン3aの厚みよりも浅く、はんだ5aの厚みが局所的に大きくなることを避けるため、20μm以上30μm以下程度で浅く形成することが好ましい。溝部8の直径は、4mm以上6mm以下で形成することが好ましいが、半導体素子6のサイズおよびはんだ5aの量を考慮して、それよりも小さくしても大きくしてもよい。
【0038】
溝部8の形成方法は特に限定されないが、切削加工であってもよいし、金型プレス加工であってもよい。またはレーザー照射であってもよい。
【0039】
以上のように、実施の形態2に係る半導体装置では、溝部8は、搭載部7の中央部に半球状に設けられている。したがって、半導体素子6の下側から噴き出したはんだ5aが溝部8に流れ込むことで、はんだ5aが半導体装置内の他の部材に付着することを抑制できる。さらに、溝部8を搭載部7の全周に渡って設けた場合よりも、表面回路パターン3aの加工費を抑えることができると共に、外観検査のための費用を抑えることができる。以上より、半導体装置の製造コストが増加することを抑制できる。
【0040】
また、溝部8を半球状とすることで、実施の形態1の場合よりも、溶融したはんだ5aが溝部8に流れ込みやすくなり、はんだ5aの濡れ性が向上する。これにより、はんだ5a内にボイドが発生することを抑制できる。
【0041】
<実施の形態3>
次に、実施の形態3に係る半導体装置について説明する。
図5は、実施の形態3に係る半導体装置の一部を取り出した部分断面図である。
図6は、実施の形態3に係る半導体装置が備える絶縁基板4の上面図である。なお、実施の形態3において、実施の形態1,2で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
【0042】
図5と
図6に示すように、実施の形態3では、溝部8は、搭載部7の四隅のいずれかを含む領域に半球状に設けられている。具体的には、溝部8は、搭載部7の四隅のいずれかの頂点が溝部8の中心に位置するように形成される。
【0043】
溝部8の深さは、表面回路パターン3aの厚みよりも浅く、はんだ5aの厚みが局所的に大きくなることを避けるため、20μm以上30μm以下程度で浅く形成することが好ましい。溝部8の直径は、他の部材のことも考慮して500μm以上1mm以下で形成することが好ましい。
【0044】
また、溝部8の形成箇所は、搭載部7の四隅のいずれかを含む領域であれば特に限定されないが、絶縁基板4と半導体素子6の組み合わせ、サイズ、およびはんだ5aが溶融する際の温度プロファイル等の条件に応じて、はんだ5aが噴き出す箇所が予測できる場合、その周辺領域に溝部8を形成することが好ましい。
【0045】
溝部8の形成方法は特に限定されないが、切削加工であってもよいし、金型プレス加工であってもよい。またはレーザー照射であってもよい。
【0046】
以上のように、実施の形態3に係る半導体装置では、溝部8は、搭載部7の四隅のいずれかを含む領域に半球状に設けられている。したがって、半導体素子6の下側から噴き出したはんだ5aが溝部8に流れ込むことで、はんだ5aが半導体装置内の他の部材に付着することを抑制できる。さらに、溝部8を搭載部7の全周に渡って設けた場合よりも、表面回路パターン3aの加工費を抑えることができると共に、溝部8に限定して外観検査を行うことで、外観検査時間を短縮することができ、外観検査のための費用を抑えることができる。以上より、半導体装置の製造コストが増加することを抑制できる。
【0047】
また、溝部8は、溶融したはんだ5aが硬化する際にその一部が噴き出す箇所の周辺領域に設けられている。したがって、半導体素子6の下側から噴き出したはんだ5aが溝部8に流れ込みやすくなるため、はんだ5aが半導体装置内の他の部材に付着することを抑制する効果をさらに向上させることができる。
【0048】
また、搭載部7の四隅のいずれかの熱容量を大きくすることで、実施の形態1のように溝部8が直線状に形成された場合と比較して、搭載部7の四隅のいずれかに大きな熱応力が発生するため、半導体素子6の下側から噴き出したはんだ5aを溝部8に誘導しやすくなる。
【0049】
また、実施の形態2のように溝部8が搭載部7の中央部に形成された場合と比較して、溝部8は搭載部7の外周側まで形成されているため、半導体素子6の実装時に発生するガスおよび溝部8において濡れ不足により発生するボイドを緩和することができる。
【0050】
また、溝部8が搭載部7の四隅全てに形成される場合と比較しても、溝部8の形成に要するコストも削減することができる。
【0051】
<実施の形態4>
次に、実施の形態4に係る半導体装置について説明する。
図7は、実施の形態4に係る半導体装置の一部を取り出した部分断面図である。
図8は、実施の形態4に係る半導体装置が備える絶縁基板4の上面図である。なお、実施の形態4において、実施の形態1~3で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
【0052】
図7と
図8に示すように、実施の形態4では、溝部8は、搭載部7の四隅のいずれかよりも内周側に半球状に設けられている。具体的には、溝部8は、搭載部7の中央部よりも四隅のいずれかの近くに設けられる。
【0053】
溝部8の深さは、表面回路パターン3aの厚みよりも浅く、はんだ5aの厚みが局所的に大きくなることを避けるため、20μm以上30μm以下程度で浅く形成することが好ましい。溝部8の直径は4mm以上6mm以下で形成することが好ましいが、半導体素子6のサイズおよびはんだ5aの量を考慮して、それよりも小さくしても大きくしてもよい。
【0054】
また、溝部8の形成箇所は、搭載部7の四隅のいずれかよりも内周側であれば特に限定されないが、絶縁基板4と半導体素子6の組み合わせ、サイズ、およびはんだ5aが溶融する際の温度プロファイル等の条件に応じて、はんだ5aが噴き出す箇所が予測できる場合、その周辺領域に溝部8を形成することが好ましい。
【0055】
以上のように、実施の形態4に係る半導体装置では、溝部8は、搭載部7の四隅のいずれかよりも内周側に半球状に設けられている。したがって、半導体素子6の下側から噴き出したはんだ5aが溝部8に流れ込むことで、はんだ5aが半導体装置内の他の部材に付着することを抑制できる。さらに、溝部8を搭載部7の全周に渡って設けた場合よりも、表面回路パターン3aの加工費を抑えることができると共に、外観検査のための費用を抑えることができる。以上より、半導体装置の製造コストが増加することを抑制できる。
【0056】
また、溝部8は、溶融したはんだ5aが硬化する際にその一部が噴き出す箇所の周辺領域に設けられている。したがって、半導体素子6の下側から噴き出したはんだ5aが溝部8に流れ込みやすくなるため、はんだ5aが半導体装置内の他の部材に付着することを抑制する効果をさらに向上させることができる。
【0057】
また、実施の形態3と比較して、半導体素子6の直下に近い箇所に溝部8が形成されるため、熱膨張と収縮のコントロールに優れている。さらに、溝部8は搭載部7の外部からはみ出さないため、表面回路パターン3aから搭載部7と溝部8とを除いた領域を小さくすることができる。これにより、半導体装置の小型化に対応可能である。
【0058】
また、搭載部7の四隅のいずれかの熱容量を大きくすることで、実施の形態1のように溝部8が直線状に形成された場合と比較して、搭載部7の四隅のいずれかにおいて大きな熱応力が発生するため、半導体素子6の下側から噴き出したはんだ5aを溝部8に誘導しやすくなる。
【0059】
また、溝部8が搭載部7の四隅全てに形成される場合と比較しても、溝部8の形成に要するコストも削減することができる。
【0060】
なお、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【0061】
2 絶縁層、3a 表面回路パターン、4 絶縁基板、6 半導体素子、7 搭載部、8 溝部。