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JP2008034514A - Semiconductor device - Google Patents

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JP2008034514A
JP2008034514A JP2006204559A JP2006204559A JP2008034514A JP 2008034514 A JP2008034514 A JP 2008034514A JP 2006204559 A JP2006204559 A JP 2006204559A JP 2006204559 A JP2006204559 A JP 2006204559A JP 2008034514 A JP2008034514 A JP 2008034514A
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Japan
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semiconductor chip
semiconductor device
back surface
solder
die pad
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Application number
JP2006204559A
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Japanese (ja)
Inventor
Yoshinori Endo
佳紀 遠藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
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    • H10W72/324
    • H10W72/352

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  • Die Bonding (AREA)

Abstract

【課題】 半導体チップのクラック発生を抑制可能な鉛フリーはんだが形成された半導体装置を提供する。
【解決手段】 半導体チップ21と、半導体チップ21の裏面に対向するダイパッド12と、Cu−Snを主成分とする金属間化合物19を半導体チップ21の裏面の周辺部とダイパッド12との間に配し、Snを主成分とするSn系はんだ18を半導体チップ21の裏面の中央部とダイパッド12との間に配し、半導体チップ21の裏面と対向するダイパッド12とを接合する接合部材17とを有している。
【選択図】 図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device formed with lead-free solder capable of suppressing the occurrence of cracks in a semiconductor chip.
SOLUTION: A semiconductor chip 21, a die pad 12 facing the back surface of the semiconductor chip 21, and an intermetallic compound 19 mainly composed of Cu-Sn are arranged between the peripheral portion of the back surface of the semiconductor chip 21 and the die pad 12. Then, an Sn-based solder 18 containing Sn as a main component is disposed between the center portion of the back surface of the semiconductor chip 21 and the die pad 12, and a joining member 17 that joins the die pad 12 facing the back surface of the semiconductor chip 21. Have.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、半導体装置、特に、外部の鉛フリーはんだ接続に対応可能な半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device that can cope with external lead-free solder connection.

半導体装置等を含む電子機器を、プリント基板等へ実装する際に用いられるはんだ(外部接続はんだ)は、環境への負荷が大きいため、鉛フリー化が急速に進んでいる。例えば、Sn−3Ag−0.5Cu(数字は質量%を表わす。最大のSnの96.5質量%は省略される。以下同じ。)系が、汎用性の高いはんだとして、主流になっている。   Solder (external connection solder) used when mounting an electronic device including a semiconductor device or the like on a printed board or the like has a large environmental load, and therefore lead-free is rapidly progressing. For example, Sn-3Ag-0.5Cu (the number represents mass%. 96.5 mass% of the maximum Sn is omitted. The same shall apply hereinafter) is the mainstream as a highly versatile solder. .

半導体装置の内部において、例えば、半導体チップを内部の基板に接続する際にもはんだが使われているが、内部で使用されるはんだ(内部接続はんだ)も鉛フリー化が必要である。内部で使用される鉛フリーはんだは、半導体装置の外部で、例えば、Sn−3Ag−0.5Cu系はんだで接続しても、半導体装置の特性が劣化するような接続不良が発生することがないようにする必要がある。そこで、外部接続はんだとしてのSn−3Ag−0.5Cu系はんだの接続工程(溶融温度範囲は、固相線217℃、液相線219℃)に対して、接続不良を発生させない適切な材料や方法を見出すための開発が行われてきた。   Inside the semiconductor device, for example, solder is used when connecting a semiconductor chip to an internal substrate, but the solder used internally (internal connection solder) needs to be lead-free. Even if lead-free solder used inside is connected to the outside of the semiconductor device by, for example, Sn-3Ag-0.5Cu-based solder, a connection failure that deteriorates the characteristics of the semiconductor device does not occur. It is necessary to do so. Therefore, an appropriate material that does not cause poor connection to the connection process of Sn-3Ag-0.5Cu solder as an external connection solder (melting temperature range is solid phase line 217 ° C., liquid phase line 219 ° C.) Developments have been made to find ways.

従来、SnとPbからなるはんだは、組成比を変えることによって、半導体装置の内部の接続に都合のよい内部接続はんだと、外部の接続に都合のよい外部接続はんだとを使い分けることが可能であった。例えば、低温系の融点183℃のSn−37Pbはんだと、高温系の融点275〜302℃のPb−10Snはんだを、それぞれ、外部接続はんだ及び内部接続はんだとすることにより、外部接続時においても、半導体チップと内部の基板との接続はんだが溶融することはなく、接続不良による半導体装置の特性が劣化することは起こらなかった。しかしながら、Sn−Pb系はんだのように、融点の差が適度に取れて、熱膨張差によって生じる応力の吸収等の接続に必要な要件を満足できる、半導体装置の内部で使用できる、汎用性の高い鉛フリーはんだは見出されてない。   Conventionally, the solder composed of Sn and Pb can be selectively used as an internal connection solder convenient for internal connection of a semiconductor device and an external connection solder convenient for external connection by changing the composition ratio. It was. For example, by using Sn-37Pb solder with a low melting point of 183 ° C. and Pb-10Sn solder with a high melting point of 275 to 302 ° C. as an external connection solder and an internal connection solder, respectively, The connection solder between the semiconductor chip and the internal substrate did not melt, and the characteristics of the semiconductor device due to poor connection did not deteriorate. However, like Sn—Pb solder, the difference in melting point can be taken moderately, and the requirements necessary for connection such as absorption of stress caused by the difference in thermal expansion can be satisfied. No high lead-free solder has been found.

そこで、半導体装置等の外部の接続時に、一部に再溶融が起こっても、接続不良を起こさないことを目的に、Sn粉末とCu粉末とを混合したはんだ材、及び、このはんだ材で接続された半導体装置等が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。このSn粉末とCu粉末の混合したはんだ材を用いて半導体チップの接続を行うとSnとCuが化合して融点の高い金属間化合物となり、外部接続の実装リフロー温度(240℃前後)にも、金属間化合物とCuは溶融せず、接続強度を確保できるという。   Therefore, a solder material in which Sn powder and Cu powder are mixed, and this solder material is used for the purpose of preventing a connection failure even if remelting occurs in part during external connection of a semiconductor device or the like. A disclosed semiconductor device or the like is disclosed (for example, see Patent Document 1). When a semiconductor chip is connected using a solder material in which this Sn powder and Cu powder are mixed, Sn and Cu combine to form an intermetallic compound having a high melting point, and the external connection mounting reflow temperature (around 240 ° C.) The intermetallic compound and Cu are not melted, and the connection strength can be secured.

しかしながら、この開示された方法では、半導体装置内部の半導体チップ裏面のはんだ材が全面にわたってSn−Cu金属間化合物で接続された状態になる。金属間化合物は硬度が高く、脆い性質を持つため大面積の半導体チップ(例えば、一辺が約3mm以上の矩形)に適用すると、半導体チップ接続後の冷却時の温度差または半導体装置完成後の熱サイクルによる熱衝撃等により半導体チップにクラックが生じる可能性があった。
特開2002−280396号公報(第7頁、図2)
However, in the disclosed method, the solder material on the back surface of the semiconductor chip inside the semiconductor device is connected to the entire surface by the Sn—Cu intermetallic compound. Intermetallic compounds are hard and brittle, so when applied to large area semiconductor chips (for example, rectangles with a side of about 3 mm or more), the temperature difference during cooling after connecting the semiconductor chip or the heat after completion of the semiconductor device There was a possibility that a crack was generated in the semiconductor chip due to thermal shock caused by the cycle.
JP 2002-280396 A (page 7, FIG. 2)

本発明は、半導体チップのクラック発生を抑制可能な鉛フリーはんだが形成された半導体装置を提供する。   The present invention provides a semiconductor device in which lead-free solder capable of suppressing the occurrence of cracks in a semiconductor chip is formed.

本発明の一態様の半導体装置は、半導体チップと、前記半導体チップの裏面に対向する金属部材と、Cu−Snを主成分とする金属間化合物を前記半導体チップの裏面の周辺部と前記金属部材との間に配し、Sn及びSnを主成分とする金属のいずれか1つを前記半導体チップの裏面の中央部と前記金属部材との間に配し、前記半導体チップの裏面と対向する前記金属部材とを接合する接合部材とを有していることを特徴とする。   A semiconductor device according to one embodiment of the present invention includes a semiconductor chip, a metal member facing the back surface of the semiconductor chip, an intermetallic compound containing Cu—Sn as a main component, a peripheral portion on the back surface of the semiconductor chip, and the metal member. Between any one of Sn and Sn as a main component between the central part of the back surface of the semiconductor chip and the metal member, and facing the back surface of the semiconductor chip. It has the joining member which joins a metal member, It is characterized by the above-mentioned.

本発明によれば、半導体チップのクラック発生を抑制可能な鉛フリーはんだが形成された半導体装置を提供することが可能である。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it is possible to provide the semiconductor device in which the lead free solder which can suppress generation | occurrence | production of the crack of a semiconductor chip was formed.

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。各図では、同一の構成要素には同一の符号を付す。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In each figure, the same components are denoted by the same reference numerals.

本発明の実施例1に係る半導体装置について、図1乃至図4を参照しながら説明する。図1は半導体装置を模式的に示す断面図である。図2は図1に示す半導体装置のはんだによる接続部を拡大して模式的に示す断面図である。図3は半導体装置を製造する工程において、はんだが供給された状態を模式的に示す断面図である。図4は半導体装置を実装基板に実装した状態を模式的に示す断面図である。   A semiconductor device according to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a semiconductor device. FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing an enlarged connection portion by solder of the semiconductor device shown in FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a state where solder is supplied in the process of manufacturing a semiconductor device. FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a state where the semiconductor device is mounted on the mounting substrate.

図1に示すように、半導体装置1は、半導体チップ21、半導体チップ21の裏面に対向する金属部材であるリードフレーム11の一部をなすダイパッド12、及び、Cu−Snを主成分とする金属間化合物19を半導体チップ21の裏面の周辺部とダイパッド12との間に配し、Snを主成分とするSn系はんだ18を半導体チップ21の裏面の中央部とダイパッド12との間に配し、半導体チップ21の裏面と対向するダイパッド12とを接合する接合部材17を主構成要素として有している。   As shown in FIG. 1, a semiconductor device 1 includes a semiconductor chip 21, a die pad 12 that forms part of a lead frame 11 that is a metal member facing the back surface of the semiconductor chip 21, and a metal mainly composed of Cu—Sn. The intermetallic compound 19 is disposed between the peripheral portion of the back surface of the semiconductor chip 21 and the die pad 12, and the Sn-based solder 18 mainly composed of Sn is disposed between the central portion of the back surface of the semiconductor chip 21 and the die pad 12. A joining member 17 for joining the back surface of the semiconductor chip 21 and the die pad 12 facing the semiconductor chip 21 is provided as a main component.

更に、半導体装置1は、半導体チップ21の表面に形成された電極23が金属細線25を介してインナリード13に接続され、ダイパッド12及びインナリード13が、それぞれ、アウタリード14に連接され、ダイパッド12、インナリード13、接合部材17、半導体チップ21、及び金属細線25等が封止樹脂31によって封止されている。ここで、接合部材17は内部接続を担うことになる。   Further, in the semiconductor device 1, the electrode 23 formed on the surface of the semiconductor chip 21 is connected to the inner lead 13 through the fine metal wire 25, and the die pad 12 and the inner lead 13 are connected to the outer lead 14, respectively. The inner lead 13, the joining member 17, the semiconductor chip 21, the fine metal wire 25, and the like are sealed with a sealing resin 31. Here, the joining member 17 bears internal connection.

リードフレーム11は、Cuを主成分とする合金である。リードフレーム11は、厚さ約0.5mmであって、半導体チップ21を塔載する部分をダイパッド12、金属細線25を接続する部分をインナリード13としている。ダイパッド12及びインナリード13は、それぞれ、アウタリード13と一体的に形成されて、実装される底面がほぼ同一面をなしている。また、ダイパッド12及びインナリード13は、それぞれ、アウタリード13と金属細線(図示略)等を介して接続されてもよい。また、ダイパッド12及びインナリード13の底面が、アウタリード13の底面より高く(半導体チップ21の側に)設定されて、ダイパッド12及びインナリード13の底面側も封止樹脂31で封止されてもよい。   The lead frame 11 is an alloy containing Cu as a main component. The lead frame 11 has a thickness of about 0.5 mm, and a portion where the semiconductor chip 21 is mounted is a die pad 12 and a portion where the thin metal wire 25 is connected is an inner lead 13. The die pad 12 and the inner lead 13 are respectively formed integrally with the outer lead 13, and the bottom surfaces to be mounted are substantially the same surface. Further, the die pad 12 and the inner lead 13 may be connected to the outer lead 13 via a thin metal wire (not shown), respectively. Further, the bottom surfaces of the die pad 12 and the inner lead 13 are set higher than the bottom surface of the outer lead 13 (on the semiconductor chip 21 side), and the bottom surfaces of the die pad 12 and the inner lead 13 are also sealed with the sealing resin 31. Good.

接合部材17は、Sn系はんだ18及び金属間化合物19で構成されている。図2に示すように、半導体チップ21と対向するダイパッド12との間、且つ、半導体チップ21の裏面の周辺部に、金属間化合物19が形成されている。金属間化合物19は、ダイパッド12上に連続したCuの割合が相対的に大きな、主に、CuSnからなる高濃度Cu化合物27、及び、高濃度Cu化合物27に接し、半導体チップ21の裏面に達するCuの割合が相対的に小さな主にCuSnからなる低濃度Cu化合物28で構成されている。 The joining member 17 is composed of an Sn-based solder 18 and an intermetallic compound 19. As shown in FIG. 2, an intermetallic compound 19 is formed between the die pad 12 facing the semiconductor chip 21 and in the periphery of the back surface of the semiconductor chip 21. The intermetallic compound 19 is in contact with the high-concentration Cu compound 27 mainly composed of Cu 3 Sn and the high-concentration Cu compound 27, which has a relatively large proportion of continuous Cu on the die pad 12, and the back surface of the semiconductor chip 21. The ratio of Cu reaching to is relatively small, and is composed of a low-concentration Cu compound 28 mainly composed of Cu 6 Sn 5 .

高濃度Cu化合物27とダイパッド12のCu合金との境界線は、不規則な形状をなし、周辺領域の表面に比較すると、ダイパッド12の内部に入り込んだ位置に形成されている。高濃度Cu化合物27と低濃度Cu化合物28の境界線は、不規則な形状をなし、低濃度Cu化合物28の膜厚(高濃度Cu化合物27と半導体チップ21の裏面との距離)に比較して、高濃度Cu化合物27の膜厚は、ずっと小さい。低濃度Cu化合物28は、塊状、板状、針状等が混在する。   The boundary line between the high-concentration Cu compound 27 and the Cu alloy of the die pad 12 has an irregular shape, and is formed at a position entering the inside of the die pad 12 as compared with the surface of the peripheral region. The boundary line between the high-concentration Cu compound 27 and the low-concentration Cu compound 28 has an irregular shape and is compared with the film thickness of the low-concentration Cu compound 28 (distance between the high-concentration Cu compound 27 and the back surface of the semiconductor chip 21). Thus, the film thickness of the high concentration Cu compound 27 is much smaller. The low-concentration Cu compound 28 is mixed in a lump shape, a plate shape, a needle shape, or the like.

Sn系はんだ18は、Snを主成分とする金属である。Sn系はんだ18は、半導体チップ21の裏面の中央部に対向するダイパッド12の上面に形成されたAg層15の上に接し、半導体チップ21の裏面の周辺部を除く領域(中央部という)に達している。Ag層15は、5μm程度の膜厚を有し、めっきで作製されているが、他の方法、例えば、蒸着やスパッタ法等で作製されても差し支えない。Sn系はんだ18は、接している周囲の部材から取り込んだ少量のCu及びAg等を含んでいる。また、低濃度Cu化合物28の領域の中には、島状のSn系はんだ18が分布している。   The Sn-based solder 18 is a metal whose main component is Sn. The Sn-based solder 18 is in contact with the Ag layer 15 formed on the upper surface of the die pad 12 facing the central portion of the back surface of the semiconductor chip 21 and in a region (referred to as the central portion) excluding the peripheral portion of the back surface of the semiconductor chip 21. Has reached. The Ag layer 15 has a film thickness of about 5 μm and is produced by plating, but may be produced by other methods such as vapor deposition or sputtering. The Sn-based solder 18 contains a small amount of Cu, Ag, and the like taken from surrounding members in contact therewith. In addition, island-shaped Sn-based solder 18 is distributed in the region of the low concentration Cu compound 28.

金属間化合物19の厚さは、ダイパッド12と半導体チップ21の裏面との距離にほぼ等しく、約20μmである。金属間化合物19は、Ag層15に接する領域を除いて、ダイパッド12側で幅が相対的に大きい、または、密に分布する傾向にある。半導体チップ21側では、幅が相対的に小さい、または、粗に分布する傾向にある。Sn系はんだ18は、半導体チップ21の裏面に接合し、周囲を囲う金属間化合物19と底面のAgめっき15で囲まれた隙間を埋めるように分布している。   The thickness of the intermetallic compound 19 is approximately equal to the distance between the die pad 12 and the back surface of the semiconductor chip 21 and is about 20 μm. The intermetallic compound 19 tends to have a relatively large width or a dense distribution on the die pad 12 side except for a region in contact with the Ag layer 15. On the semiconductor chip 21 side, the width tends to be relatively small or coarsely distributed. The Sn-based solder 18 is distributed so as to be bonded to the back surface of the semiconductor chip 21 and fill a gap surrounded by the intermetallic compound 19 surrounding the periphery and the Ag plating 15 on the bottom surface.

半導体装置1の接合部材17を形成、すなわち、半導体チップ21をダイパッド12に固定する工程を説明する。図3に示すように、1辺が約5mm角の半導体チップ21が載置される予定のリードフレーム11のダイパッド12に、半導体チップ21の裏面に対向し、半導体チップ21の裏面の最も外側の周辺部から約100μm内側を外周とする矩形をなすAg層15をめっきする。   A process of forming the bonding member 17 of the semiconductor device 1, that is, fixing the semiconductor chip 21 to the die pad 12 will be described. As shown in FIG. 3, the die pad 12 of the lead frame 11 on which the semiconductor chip 21 having a side of about 5 mm square is to be placed is opposed to the back surface of the semiconductor chip 21 and is the outermost surface of the back surface of the semiconductor chip 21. An Ag layer 15 having a rectangular shape with an inner periphery of about 100 μm from the periphery is plated.

Ag層15の外周から四方に約100μmずつ外側にはみ出させて、ダイパッド12と半導体チップ21との接合間隔に必要な量のペースト状のSn系はんだ18aを、例えば、直方体状に形成する。Sn系はんだ18aは、意図しない程度の不純物を除いて純粋なSn、あるいは、Snを主成分とするSn−Ag、Sn−Sb、Sn−Cu等の2元系、及びSnを主成分とする3元系等の内の1つであってもよく、必要に応じ少量のフラックス(図示略)を加えることが可能である。なお、Sn系はんだ18aは、固化して接合部材17を形成した時に、膜厚が約20μmになる程度の量であるが、必要に応じて、膜厚の増減は可能である。フラックスは、洗浄不要タイプが好ましい。   A paste-like Sn-based solder 18a in an amount necessary for the bonding interval between the die pad 12 and the semiconductor chip 21 is formed in a rectangular parallelepiped shape, for example, by protruding outward from the outer periphery of the Ag layer 15 by about 100 μm. The Sn-based solder 18a is pure Sn excluding unintended impurities, or a binary system such as Sn—Ag, Sn—Sb, Sn—Cu, etc. containing Sn as a main component, and Sn as a main component. One of ternary systems or the like may be used, and a small amount of flux (not shown) can be added as necessary. Note that the Sn-based solder 18a has an amount of about 20 μm when solidified to form the joining member 17, but the thickness can be increased or decreased as necessary. The flux is preferably a type that does not require cleaning.

次に、半導体チップ21は、Sn系はんだ18aの上に裏面を接触し、窒素等の不活性雰囲気または窒素に水素を少し加えた還元雰囲気の中で、リフロー加熱される。なお、フラックスが添加されている場合は、大気リフローでもよい。加熱温度は、Snの融点232℃以上あれば、Sn系はんだ18aは溶融するが、Sn系はんだ18aとダイパッド12のCuが反応して、金属間化合物19を、Sn系はんだ18aの周囲に形成するように320℃〜380℃とし、加熱時間は60秒以上とする。また、半導体チップ21の裏面は、Sn系はんだ18aとの濡れ性を向上させるために、例えば、順にTi/Ni/Agが形成されており、Sn系はんだ18aが溶融した時点で、Sn系はんだ18aの上に置かれる。   Next, the semiconductor chip 21 is reflow-heated in an inert atmosphere such as nitrogen or a reducing atmosphere obtained by adding a little hydrogen to nitrogen, with the back surface in contact with the Sn-based solder 18a. When flux is added, atmospheric reflow may be used. If the heating temperature is the Sn melting point of 232 ° C. or higher, the Sn-based solder 18a melts, but the Sn-based solder 18a and the Cu of the die pad 12 react to form an intermetallic compound 19 around the Sn-based solder 18a. The heating time is set to 320 ° C. to 380 ° C. and the heating time is set to 60 seconds or longer. Further, in order to improve the wettability with the Sn-based solder 18a, for example, Ti / Ni / Ag is sequentially formed on the back surface of the semiconductor chip 21, and when the Sn-based solder 18a is melted, the Sn-based solder is formed. 18a.

次に、降温され、固化したSn系はんだ18によって、半導体チップ21は、ダイパッド12に接合される。半導体チップ21の表面の電極23とインナリード13が、例えば、ボンディングワイヤからなる金属細線25を介して、電気的に接続される。そして、ダイパッド12、インナリード13、接合部材17、半導体チップ21、及び金属細線25等が、エポキシ樹脂等からなる封止樹脂31によって封止される。封止された半導体装置1は、図1に示すように、ダイパッド12の露出した底面と、アウタリード14の底面とがほぼ同一面をなした、いわゆる、放熱板を有するフラット型を構成している。   Next, the semiconductor chip 21 is bonded to the die pad 12 by the Sn-based solder 18 that has been cooled and solidified. The electrode 23 on the surface of the semiconductor chip 21 and the inner lead 13 are electrically connected through a fine metal wire 25 made of, for example, a bonding wire. Then, the die pad 12, the inner lead 13, the bonding member 17, the semiconductor chip 21, the metal thin wire 25, and the like are sealed with a sealing resin 31 made of an epoxy resin or the like. As shown in FIG. 1, the sealed semiconductor device 1 forms a so-called flat type having a heat dissipation plate in which the exposed bottom surface of the die pad 12 and the bottom surface of the outer lead 14 are substantially flush with each other. .

上述したように、内部でSn系はんだ18を介して接合された半導体装置1は、図4に示すように、Sn−3Ag−0.5Cu系はんだであるSnAgCuはんだ45によって、例えば、プリント基板である実装基板41の配線(図示略)に外部接続され、固定される。このリフロー温度は、SnAgCuはんだ45の溶融温度(217℃〜219℃)に対して、約240℃である。   As described above, the semiconductor device 1 that is internally joined via the Sn-based solder 18, as shown in FIG. 4, is Sn-AgCu solder 45, which is Sn-3Ag-0.5Cu-based solder, for example, on a printed circuit board. It is externally connected to a wiring (not shown) of a mounting board 41 and fixed. This reflow temperature is about 240 ° C. with respect to the melting temperature (217 ° C. to 219 ° C.) of the SnAgCu solder 45.

SnAgCuはんだ45で実装基板41に固着された半導体装置1は、実装基板41に固着される前の電気的特性を有している。次に、実装基板41に実装された半導体装置1を温度サイクル試験に掛けた。温度サイクル試験は、従来のSn−Pb系で内部接続された半導体装置を従来のSn−Pb系で外部接続(すなわち、実装)した場合と同じである。温度サイクル試験において、半導体装置1の電気的特性に異常はなく、また、他の不都合の発生も見られない。   The semiconductor device 1 fixed to the mounting substrate 41 with the SnAgCu solder 45 has electrical characteristics before being fixed to the mounting substrate 41. Next, the semiconductor device 1 mounted on the mounting substrate 41 was subjected to a temperature cycle test. The temperature cycle test is the same as the case where a semiconductor device internally connected in the conventional Sn-Pb system is externally connected (that is, mounted) in the conventional Sn-Pb system. In the temperature cycle test, there is no abnormality in the electrical characteristics of the semiconductor device 1 and no other inconvenience is observed.

つまり、半導体チップ21は、Sn系はんだ18(18a)を使用した内部接続時に、クラックが発生することはない。そして、半導体装置1がSnAgCuはんだ45を介して実装基板41に固着される時にも、半導体チップ21にクラック等の不具合が発生することはないし、半導体チップ21とダイパッド12との接続等が断たれることはないことを示している。   That is, the semiconductor chip 21 does not crack when it is internally connected using the Sn-based solder 18 (18a). Even when the semiconductor device 1 is fixed to the mounting substrate 41 via the SnAgCu solder 45, the semiconductor chip 21 does not have a defect such as a crack, and the connection between the semiconductor chip 21 and the die pad 12 is disconnected. It shows that it will not be.

半導体装置1が実装及び温度サイクル時の熱衝撃に強い理由は、接合部材17の周囲が金属間化合物19で構成され、その内部にSn系はんだ18を配した構造にある。金属間化合物19は、主に、ダイパッド12に固着したCuSn及びその上に成長したCuSnからなり、これらの融点が400℃以上あり、外部接続時に溶融することはない。外部接続時にSnを主成分とするSn系はんだ18が溶融したとしても、金属間化合物19はSn系はんだ18の流出を抑制することができる。その結果、半導体チップ21はダイパッド12に対してほとんど同じ位置関係を保持できる。 The reason why the semiconductor device 1 is strong against thermal shock during mounting and temperature cycling is the structure in which the periphery of the joining member 17 is composed of an intermetallic compound 19 and an Sn-based solder 18 is disposed therein. The intermetallic compound 19 is mainly composed of Cu 3 Sn fixed to the die pad 12 and Cu 6 Sn 5 grown thereon, and has a melting point of 400 ° C. or higher and does not melt at the time of external connection. Even if the Sn-based solder 18 containing Sn as a main component is melted at the time of external connection, the intermetallic compound 19 can suppress the outflow of the Sn-based solder 18. As a result, the semiconductor chip 21 can maintain almost the same positional relationship with respect to the die pad 12.

また、高温、低温を繰り返す温度サイクルでは、Sn系はんだ18が溶融することはない。半導体チップ21と、接合部材17及びダイパッド12との熱膨張の違いは少なくない。硬く脆い性質を有する金属間化合物19は、半導体チップ21の裏面の周囲に分布しているので、裏面全体としっかり接続することはないし、また、金属間化合物19は、ダイパッド12側から、Cuが供給され、半導体チップ21側に成長して行くので、半導体チップ21との接続は相対的に弱いものとなる。一方、半導体チップ21の裏面の中央部は、Sn系はんだ18で接合されている。Sn系はんだ18は、金属間化合物19に比較して、軟らかく、熱膨張の違いにより発生する応力を緩和でき、半導体チップ21のクラック発生を抑制できる。その結果、本実施例の半導体装置1は、半導体チップの裏面全体が金属間化合物を介してしっかり接続される場合に比較して、より面積の大きな半導体チップ21を塔載し、実用化が可能である。   Further, the Sn-based solder 18 does not melt in a temperature cycle in which high temperature and low temperature are repeated. There are many differences in thermal expansion between the semiconductor chip 21 and the bonding member 17 and the die pad 12. Since the intermetallic compound 19 having a hard and brittle property is distributed around the back surface of the semiconductor chip 21, the intermetallic compound 19 is not firmly connected to the entire back surface, and the intermetallic compound 19 is made of Cu from the die pad 12 side. Since it is supplied and grows toward the semiconductor chip 21, the connection with the semiconductor chip 21 is relatively weak. On the other hand, the central portion of the back surface of the semiconductor chip 21 is joined with Sn solder 18. The Sn-based solder 18 is softer than the intermetallic compound 19, can relieve stress generated due to the difference in thermal expansion, and can suppress the occurrence of cracks in the semiconductor chip 21. As a result, the semiconductor device 1 of the present embodiment can be put to practical use by mounting the semiconductor chip 21 having a larger area as compared with the case where the entire back surface of the semiconductor chip is firmly connected via an intermetallic compound. It is.

本発明の実施例2に係る半導体装置について、図1、図4乃至図6を参照しながら説明する。図5は半導体装置のはんだによる接続部を拡大して模式的に示す断面図である。図6は半導体装置を製造する工程において、はんだが供給された状態を模式的に示す断面図である。実施例1とは、リードフレーム材料、すなわち、ダイパッド等の材料が異なっている。以下、実施例1と同一構成部分には同一の符号を付して、その説明は省略し、異なる構成部分について説明する。   A semiconductor device according to Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 4 to 6. FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing an enlarged connection portion by solder of the semiconductor device. FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a state where solder is supplied in the process of manufacturing a semiconductor device. The lead frame material, that is, the material such as the die pad is different from that of the first embodiment. In the following, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, description thereof will be omitted, and different components will be described.

本実施例の半導体装置は、概略的には、図1に示す実施例1の半導体装置1と類似しているが、図5に示すように、リードフレーム51が、42アロイ53で構成され、ダイパッド12の表面がCu層55で被われている点が異なっている。   The semiconductor device of the present embodiment is roughly similar to the semiconductor device 1 of the first embodiment shown in FIG. 1, but as shown in FIG. 5, the lead frame 51 is composed of 42 alloy 53, The difference is that the surface of the die pad 12 is covered with a Cu layer 55.

図5及び図6に示すように、ダイパッド12等をなすリードフレーム51は、Niを42質量%含むFe−Ni合金系の42アロイ53を基材とし、42アロイ53の表面にCu層55が、必要な膜厚だけ、例えば、1〜10μmめっきされている。リードフレーム51の形状等は、実施例1のリードフレーム11と同様である。   As shown in FIGS. 5 and 6, the lead frame 51 constituting the die pad 12 and the like is based on an Fe—Ni alloy 42 alloy 53 containing 42 mass% of Ni, and a Cu layer 55 is formed on the surface of the 42 alloy 53. Only the required film thickness is plated, for example, 1 to 10 μm. The shape and the like of the lead frame 51 are the same as those of the lead frame 11 of the first embodiment.

図5に示すように、上面のCu層55から上部の半導体チップ21までは、実施例1と同様の構成になっている。Ag層15の側部に隣接するCu層55は、大部分が金属間化合物19を形成するために使用されている。金属間化合物19を十分に形成するために、Cu層55の膜厚を厚くすることは可能である。   As shown in FIG. 5, the structure from the upper Cu layer 55 to the upper semiconductor chip 21 is the same as that of the first embodiment. Most of the Cu layer 55 adjacent to the side portion of the Ag layer 15 is used to form the intermetallic compound 19. In order to sufficiently form the intermetallic compound 19, it is possible to increase the thickness of the Cu layer 55.

図6に示すように、実施例1と同様に、1辺が約5mm角の半導体チップ21が載置される予定のCu層55がめっきされたリードフレーム51のダイパッド12に、Ag層15がめっきされ、Ag層15及びAg層15の側部に隣接するCu層55を被うように、Sn系はんだ18aが形成される。その後、実施例1と同様にして、半導体装置が形成される。   As shown in FIG. 6, the Ag layer 15 is formed on the die pad 12 of the lead frame 51 plated with the Cu layer 55 on which the semiconductor chip 21 having a side of about 5 mm square is placed, as in the first embodiment. The Sn-based solder 18a is formed so as to cover the Ag layer 15 and the Cu layer 55 adjacent to the side of the Ag layer 15 after plating. Thereafter, a semiconductor device is formed in the same manner as in the first embodiment.

上述したように、内部でSn系はんだ18を介して接合された本実施例の半導体装置は、図4に示すように、実施例1と同様に、外部接続され、固定される。   As described above, the semiconductor device of the present embodiment joined internally via the Sn-based solder 18 is externally connected and fixed as in the first embodiment, as shown in FIG.

本実施例の半導体装置は、接合部材17の構造が実施例1の半導体装置1と同様であるために、半導体装置1が有する効果と同様な効果を有している。その他に、Cuを有してない42アロイ53のリードフレームにおいても、半導体チップ21の裏面の周辺部に対向する位置に、Cu層55をSn系はんだ18aに接触させるように形成することにより、接合部材17の周辺部にCu−Sn系の金属間化合物19を、簡単な工程で形成可能である。その結果、42アロイ53を使用して、半導体チップ21のクラック発生を抑制できる鉛フリーはんだが形成された半導体装置を低コストで提供することが可能である。   The semiconductor device of this embodiment has the same effect as that of the semiconductor device 1 because the structure of the bonding member 17 is the same as that of the semiconductor device 1 of the first embodiment. In addition, even in the lead frame of 42 alloy 53 that does not have Cu, by forming the Cu layer 55 in contact with the peripheral portion of the back surface of the semiconductor chip 21 so as to contact the Sn-based solder 18a, The Cu—Sn-based intermetallic compound 19 can be formed on the periphery of the bonding member 17 by a simple process. As a result, it is possible to provide a semiconductor device in which lead-free solder capable of suppressing the occurrence of cracks in the semiconductor chip 21 using the 42 alloy 53 is formed at low cost.

本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々、変形して実施することができる。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

例えば、実施例では、アウタリードがフラットなリード構造の半導体装置を示したが、封止樹脂の側部から延在するリードが曲折された、いわゆる、ガルウィング型、Jリード型等であってもよいし、また、アウタリードが封止樹脂から突出しないリードレス型等に対しても適用可能である。   For example, in the embodiments, a semiconductor device having a lead structure with a flat outer lead is shown. However, a so-called gull wing type, J lead type or the like in which a lead extending from a side portion of the sealing resin is bent may be used. In addition, the present invention can also be applied to a leadless type in which the outer lead does not protrude from the sealing resin.

また、実施例では、半導体チップの裏面をダイパッドに接合部材を介して接合する例を示したが、半導体チップの表面の電極を、バンプを介して、内部基板の電極にフリップチップ接続する際にも適用できる。バンプの大きさは小さくなるが、バンプ毎に、周辺部が金属間化合物、中央部がSn系はんだで構成される接合部材を使用することになる。   Further, in the embodiment, the example in which the back surface of the semiconductor chip is bonded to the die pad via the bonding member is shown. However, when the electrode on the surface of the semiconductor chip is flip-chip connected to the electrode on the internal substrate via the bump. Is also applicable. Although the size of the bump is small, a bonding member is used in which the peripheral portion is made of an intermetallic compound and the central portion is made of Sn-based solder for each bump.

また、実施例では、Cuを主成分とするリードフレーム及び42アロイ材のリードフレームの例を示したが、他の組成からなるリードフレームに適用することが可能である。その際、Cuがダイパッドから十分に供給される場合は、実施例1で例示したように、Ag層をリードフレーム上にめっき等で付けて、半導体チップの中央部に対応する位置のCu量を調整することが有効である。また、Cuがダイパッドから十分に供給されない場合は、実施例2で例示したように、リードフレーム上の半導体チップの周辺部に対向する位置に、Cu層が存在するようにめっき等で付けて、Cu量を調整することが有効である。   In the embodiment, the lead frame mainly composed of Cu and the lead frame made of 42 alloy material are shown. However, the present invention can be applied to lead frames made of other compositions. At that time, if Cu is sufficiently supplied from the die pad, as exemplified in Example 1, an Ag layer is plated on the lead frame by plating or the like, and the amount of Cu at the position corresponding to the central portion of the semiconductor chip is set. It is effective to adjust. Further, when Cu is not sufficiently supplied from the die pad, as exemplified in Example 2, it is attached by plating or the like so that a Cu layer is present at a position facing the periphery of the semiconductor chip on the lead frame, It is effective to adjust the amount of Cu.

また、実施例では、Sn系はんだと下地のCuとの反応を抑制するために、Ag層を配置する例を示したが、反応を抑制する材料として、Agを主成分とする金属層の他、例えば、Ti、Cr、Ta、Ni、Pd、Au、TiN、TaN、もしくはこれらの積層膜や混合物、化合物等を使用することが可能である。   In the examples, an example in which an Ag layer is disposed in order to suppress the reaction between the Sn-based solder and the underlying Cu has been shown. However, as a material for suppressing the reaction, other than a metal layer mainly composed of Ag. For example, Ti, Cr, Ta, Ni, Pd, Au, TiN, TaN, or a laminated film, a mixture, a compound, or the like thereof can be used.

本発明の実施例1に係る半導体装置を模式的に示す断面図。Sectional drawing which shows typically the semiconductor device which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例1に係る半導体装置のはんだによる接続部を拡大して模式的に示す断面図。Sectional drawing which expands and shows typically the connection part by the solder of the semiconductor device which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例1に係る半導体装置を製造する工程において、はんだが供給された状態を模式的に示す断面図。Sectional drawing which shows typically the state with which the solder was supplied in the process of manufacturing the semiconductor device which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例1に係る半導体装置を実装基板に実装した状態を模式的に示す断面図。Sectional drawing which shows typically the state which mounted the semiconductor device which concerns on Example 1 of this invention on the mounting board | substrate. 本発明の実施例2に係る半導体装置のはんだによる接続部を拡大して模式的に示す断面図。Sectional drawing which expands and shows typically the connection part by the solder of the semiconductor device which concerns on Example 2 of this invention. 本発明の実施例2に係る半導体装置を製造する工程において、はんだが供給された状態を模式的に示す断面図。Sectional drawing which shows typically the state with which the solder was supplied in the process of manufacturing the semiconductor device which concerns on Example 2 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 半導体装置
11、51 リードフレーム
12 ダイパッド
13 インナリード
14 アウタリード
15 Ag層
17 接合部材
18、18a Sn系はんだ
19 金属間化合物
21 半導体チップ
23 電極
25 金属細線
27 高濃度Cu化合物
28 低濃度Cu化合物
31 封止樹脂
41 実装基板
45 SnAgCuはんだ
53 42アロイ
55 Cu層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor device 11, 51 Lead frame 12 Die pad 13 Inner lead 14 Outer lead 15 Ag layer 17 Joining member 18, 18a Sn type solder 19 Intermetallic compound 21 Semiconductor chip 23 Electrode 25 Metal fine wire 27 High concentration Cu compound 28 Low concentration Cu compound 31 Sealing resin 41 Mounting substrate 45 SnAgCu solder 53 42 Alloy 55 Cu layer

Claims (5)

半導体チップと、
前記半導体チップの裏面に対向する金属部材と、
Cu−Snを主成分とする金属間化合物を前記半導体チップの裏面の周辺部と前記金属部材との間に配し、Sn及びSnを主成分とする金属のいずれか1つを前記半導体チップの裏面の中央部と前記金属部材との間に配し、前記半導体チップの裏面と対向する前記金属部材とを接合する接合部材と、
を有していることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor chip;
A metal member facing the back surface of the semiconductor chip;
An intermetallic compound containing Cu-Sn as a main component is disposed between a peripheral portion of the back surface of the semiconductor chip and the metal member, and any one of metals containing Sn and Sn as a main component is provided on the semiconductor chip. A bonding member disposed between a central portion of the back surface and the metal member, and bonding the metal member facing the back surface of the semiconductor chip;
A semiconductor device comprising:
前記金属部材は、Cu及びCuを主成分とする金属のいずれか1つであることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the metal member is one of Cu and a metal containing Cu as a main component. 前記金属部材の前記半導体チップの裏面に対向する部分の表面は、Cu及びCuを主成分とする金属のいずれか1つを有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a surface of a portion of the metal member facing the back surface of the semiconductor chip includes one of Cu and a metal mainly containing Cu. 前記接合部材は、前記半導体チップの裏面の中央部に対向する前記金属部材との界面に、Ag層及びAgを主成分とする金属層の少なくともいずれか1つが形成されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置。   The bonding member is characterized in that at least one of an Ag layer and a metal layer mainly composed of Ag is formed at an interface with the metal member facing the central portion of the back surface of the semiconductor chip. The semiconductor device according to claim 1. 前記半導体チップの表面の電極は、金属細線を介して一のアウタリードに接続され、前記金属部材は、他のアウタリードに接続され、前記一及び他のアウタリードは、溶融された鉛フリー材料により実装基板に接続されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置。   The electrode on the surface of the semiconductor chip is connected to one outer lead via a thin metal wire, the metal member is connected to another outer lead, and the one and other outer leads are mounted on the mounting substrate by a molten lead-free material. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is connected to the semiconductor device.
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