JP2008034514A - 半導体装置 - Google Patents

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

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。

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。

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。

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。

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。

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）

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、Ｃｕ_３Ｓｎ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Ｃｕ_６Ｓｎ_５からなる低濃度Ｃｕ化合物２８で構成されている。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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Ｃｕ_３Ｓｎ及びその上に成長したＣｕ_６Ｓｎ_５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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 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。 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。 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。 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。 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。

符号の説明

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

Claims (5)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。

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