JP2021064761A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
【課題】接合部の適切化及び封止樹脂の密着性の向上化が可能な技術を提供することを目的とする。【解決手段】半導体装置は、半導体素子を覆い、かつ、基材とリードとの少なくとも一部を覆う封止樹脂と、基材の表面のうち、半導体素子と接合部によって接合される接合表面上に配設された第1粗化めっきと、基材の封止樹脂に沿った表面の少なくとも一部の表面上に配設された第2粗化めっきとを備える。第1粗化めっきは、第2粗化めっきよりも表面粗さが大きい。【選択図】図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technique capable of optimizing a joint portion and improving the adhesion of a sealing resin. SOLUTION: A semiconductor device is a sealing resin that covers a semiconductor element and covers at least a part of a base material and a lead, and on a bonding surface of the surface of the base material that is bonded by the semiconductor element and the bonding portion. The first roughening plating is arranged on the surface of at least a part of the surface along the sealing resin of the base material, and the second roughening plating is provided. The first roughened plating has a larger surface roughness than the second roughened plating. [Selection diagram] Fig. 1
Description
本発明は、半導体素子を基材に接合する半導体装置、及び、その製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device for joining a semiconductor element to a base material, and a method for manufacturing the same.
従来、高周波で用いられる半導体装置では、半導体素子を回路基板や筐体に直接ネジ止めなどで実装するのが一般的であった。しかしながら、生産性を向上させるたり、ねじ止め時のストレスによるダメージを無くしたりするために、リフローを用いた自動実装のニーズが高まっている。 Conventionally, in semiconductor devices used at high frequencies, it has been common to mount semiconductor elements directly on a circuit board or a housing by screwing or the like. However, in order to improve productivity and eliminate damage caused by stress during screwing, there is an increasing need for automatic mounting using reflow.
リフローによる実装では、例えば、半導体装置は、Pbフリーはんだによって回路基板や筐体にはんだ付けされる。この時、300℃以上でPbフリーはんだだけでなく封止樹脂も融かすため、封止樹脂の分解によって、機械特性の劣化が進むことなどが懸念される。また、高温では接着力も低下しやすいため、リードやヒートシンクなどから封止樹脂が剥離することも懸念される。 In reflow mounting, for example, semiconductor devices are soldered to circuit boards and enclosures with Pb-free solder. At this time, since not only the Pb-free solder but also the sealing resin is melted at 300 ° C. or higher, there is a concern that the mechanical properties may be deteriorated due to the decomposition of the sealing resin. In addition, since the adhesive strength tends to decrease at high temperatures, there is a concern that the sealing resin may peel off from the lead or heat sink.
このような問題の対策の一つとして、ガラス転移温度が高いプライマー樹脂を、封止樹脂と、半導体素子、ワイヤ、リード、及び、ヒートシンクとの間に塗布することが提案されている(例えば特許文献1)。このような構成によれば、リフロー実装時の温度でも接着力や機械特性の劣化を抑制することができるので、高温時の信頼性を確保することができる。 As one of the countermeasures against such a problem, it has been proposed to apply a primer resin having a high glass transition temperature between the sealing resin and the semiconductor element, the wire, the lead, and the heat sink (for example, a patent). Document 1). According to such a configuration, deterioration of adhesive force and mechanical properties can be suppressed even at the temperature at the time of reflow mounting, so that reliability at a high temperature can be ensured.
しかしながら、ガラス転移温度が高いプライマー樹脂を用いる構成によれば、リフロー温度以上の耐熱性は得られるものの、一般的な封止樹脂と比較して吸水率が高くなるため、製造中の輸送や保管時に吸水した水分がリフロー実装時に揮発してしまうことがある。その揮発の膨張応力によって、プライマー樹脂、ひいては、それを覆っている封止樹脂が、リードやヒートシンクから剥離してしまう虞があった。また、半導体素子とヒートシンクとを接合する接合部のクラックが比較的多く存在するという問題があった。 However, according to the configuration using a primer resin having a high glass transition temperature, although heat resistance higher than the reflow temperature can be obtained, the water absorption rate is higher than that of a general sealing resin, so that it is transported or stored during production. Occasionally, the absorbed water may volatilize when the reflow is mounted. Due to the volatile expansion stress, the primer resin and the sealing resin covering the primer resin may be peeled off from the reed or the heat sink. Further, there is a problem that a relatively large number of cracks are present at the joint portion that joins the semiconductor element and the heat sink.
そこで、本発明は、上記のような問題点を鑑みてなされたものであり、接合部の適切化及び封止樹脂の密着性の向上化が可能な技術を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a technique capable of optimizing the joint portion and improving the adhesion of the sealing resin.
本発明に係る半導体装置は、半導体素子と、前記半導体素子と接合される基材と、前記半導体素子と前記基材とを接合する、金属焼結材を含む接合部と、前記半導体素子と電気的に接続されたリードと、前記半導体素子を覆い、かつ、前記基材と前記リードとの少なくとも一部を覆う封止樹脂と、前記基材の表面のうち、前記半導体素子と前記接合部によって接合される接合表面上に配設された第1粗化めっきと、前記基材の前記封止樹脂に沿った表面の少なくとも一部の表面上に配設された第2粗化めっきとを備え、前記第1粗化めっきは、前記第2粗化めっきよりも表面粗さが大きい。 The semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor element, a base material to be bonded to the semiconductor element, a joint portion containing a metal sintered material for bonding the semiconductor element and the base material, and the semiconductor element and electricity. By a lead that is specifically connected, a sealing resin that covers the semiconductor element and at least a part of the base material and the lead, and a joint portion between the semiconductor element and the joint portion of the surface of the base material. A first roughening plating disposed on the bonding surface to be bonded and a second roughening plating disposed on at least a part of the surface of the base material along the sealing resin are provided. The surface roughness of the first roughened plating is larger than that of the second roughened plating.
本発明によれば、第2粗化めっきよりも表面粗さが大きい第1粗化めっきが、基材の表面のうち、半導体素子と接合部によって接合される接合表面上に配設され、第2粗化めっきが、基材の封止樹脂に沿った表面の少なくとも一部の表面上に配設される。このような構成によれば、接合部を適切化でき、封止樹脂の密着性を高めることができる。 According to the present invention, the first roughened plating having a surface roughness larger than that of the second roughened plating is arranged on the joint surface of the base material which is joined by the semiconductor element and the joint portion. 2 Roughening plating is disposed on at least a part of the surface along the sealing resin of the base material. According to such a configuration, the joint portion can be made appropriate, and the adhesion of the sealing resin can be improved.
以下、添付される図面を参照しながら実施の形態について説明する。以下の各実施の形態で説明される特徴は例示であり、すべての特徴は必ずしも必須ではない。また、以下に示される説明では、複数の実施の形態において同様の構成要素には同じまたは類似する符号を付し、異なる構成要素について主に説明する。また、以下に記載される説明において、「上」、「下」、「左」、「右」、「表」または「裏」などの特定の位置と方向は、実際に実施される際の方向とは必ず一致しなくてもよい。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the attached drawings. The features described in each of the following embodiments are exemplary, and not all features are required. Further, in the description shown below, similar components are designated by the same or similar reference numerals in a plurality of embodiments, and different components will be mainly described. In addition, in the description described below, specific positions and directions such as "top", "bottom", "left", "right", "front" or "back" are directions when they are actually carried out. Does not have to match.
<実施の形態1>
図1は、本発明の実施の形態1に係る半導体装置の概略構成を示す平面図であり、図2は、図1のA−Aの線に沿った当該概略構成を示す断面図である。図1及び図2に示すように、本実施の形態1に係る半導体装置は、封止樹脂5を備える。図3は、封止樹脂5を取り除いた当該半導体装置の概略構成を示す平面図である。
<
FIG. 1 is a plan view showing a schematic configuration of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view showing the schematic configuration along the line AA of FIG. As shown in FIGS. 1 and 2, the semiconductor device according to the first embodiment includes a
図2に示すように、本実施の形態1に係る半導体装置は、封止樹脂5以外に、半導体素子1と、回路基板2と、ボンディングワイヤ3と、リード4と、接合部12と、金属焼結材コーティング13と、ヒートシンク21と、粗化めっき22とを備える。
As shown in FIG. 2, in the semiconductor device according to the first embodiment, in addition to the
半導体素子1は、例えば、Si(珪素)を含み、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、SBD(Schottky Barrier Diode)、及び、PND(PN junction diode)の少なくともいずれか1つを含む。半導体素子1は、例えば、移動体通信及び防災無線に用いる高周波通信用の半導体素子である。なお、半導体素子1の裏面(図2の下面)には、Au(金)製の電極が設けられてもよい。
The
回路基板2は、例えばボンディングワイヤ3によって半導体素子1と電気的に接続される。回路基板2は、例えば、高周波通信用の半導体装置において高周波特性の整合を取るためのMIC(Microwave Integrated Circuit)基板を含む。
The
基材であるCu製のヒートシンク21は、半導体素子1及び回路基板2と接合される。接合部12は、半導体素子1及び回路基板2と、ヒートシンク21とを接合する。接合部12は、例えば、Ag(銀)の金属焼結材ペーストを焼結させたAg焼結材などの金属焼結材を含む。
The
金属焼結材コーティング13は、接合部12と同様の金属焼結材を含み、接合部12と連続している。なお、金属焼結材コーティング13の厚さは、接合部12の厚さよりも薄い。
The metal sintered
リード4は、例えばボンディングワイヤ3によって半導体素子1の電極パターン及び回路基板2と電気的に接続される。なお、リード4のうち封止樹脂5によって覆われていない部分は、図示しない外部基板と接続され、外部基板と、半導体素子1及び回路基板2とを電気的に接続する。
The
封止樹脂5は、半導体素子1及び回路基板2を覆い、かつ、ヒートシンク21及びリード4の少なくとも一部を覆う。これにより、半導体素子1及び回路基板2は、外部の湿気、汚染、熱、電磁界等の影響から隔離され、それらの絶縁性が確保される。封止樹脂5は、例えば、エポキシ系樹脂をトランスファーモールドすることによって形成され、そのように形成された封止樹脂5の吸水率は0.5%以下となる。このように封止樹脂5の吸水率を比較的低くすれば、基板実装時のモールド剥離を抑制することが可能となる。
The sealing
ヒートシンク21及びリード4の少なくとも一部の表面には、粗化めっき22として第1粗化めっき22L及び第2粗化めっき22Sが配設されている。図4は、図3の構成のうち、粗化めっき22(第1粗化めっき22L及び第2粗化めっき22S)を示す平面図である。図5は、図2のB部を拡大した図であり、図6は、図2のC部を拡大した図であり、図7は、図2のD部を拡大した図である。
The first roughening plating 22L and the second roughening plating 22S are arranged as the roughening plating 22 on the surfaces of at least a part of the
図5及び図6に示される第1粗化めっき22Lは、図7に示される第2粗化めっき22Sよりも表面粗さが大きくなっている。
The surface roughness of the first roughened
第1粗化めっき22Lは、図2、図4〜図6に示すように、ヒートシンク21の表面のうち、半導体素子1と接合部12によって接合される接合表面上に配設される。本実施の形態1では、第1粗化めっき22Lは、接合表面上だけでなく、平面視においてヒートシンク21の表面のうち、当該接合表面に隣接し、かつ、半導体素子1の外側において半導体素子1の外周部と隣接する隣接表面上にも配設されている。ただし、第1粗化めっき22Lが隣接表面上に配設されることは必須ではない。また、本実施の形態1では、第1粗化めっき22Lは、回路基板2についても、半導体素子1についての上記配設と同様に配設されているが、後述の変形例で説明するようにこれは必須ではない。
As shown in FIGS. 2, 4 to 6, the first roughened plating 22L is arranged on the bonding surface of the surface of the
第2粗化めっき22Sは、図2、図4及び図7に示すように、ヒートシンク21の封止樹脂5に沿った表面と、リード4の封止樹脂5に沿った表面と、の少なくとも一部の表面上に配設される。なお、図2では、ヒートシンク21のうち封止樹脂5から露出した部分には、第2粗化めっき22Sが配設されていないが、当該部分に第2粗化めっき22Sが配設されてもよい。また、図2では、リード4のうち封止樹脂5から露出した部分には、第2粗化めっき22Sが配設されているが、当該部分に第2粗化めっき22Sが配設されなくてもよいし、リード4全てに第2粗化めっき22Sが配設されなくてもよい。
As shown in FIGS. 2, 4 and 7, the second roughened plating 22S has at least one of a surface of the
このような粗化めっき22(第1粗化めっき22L及び第2粗化めっき22S)によれば、図2のB部の接合部12の緻密度を高めることができるとともに、図2のC部の金属焼結材コーティング13を形成することができる。これについて、本実施の形態1に係る半導体装置の製造方法である実施の形態3で詳細に説明し、ここでは簡単に説明する。
According to such roughening plating 22 (first roughening plating 22L and second roughening plating 22S), it is possible to increase the density of the
第1粗化めっき22L上には、接合部12の原料となる金属粒子と、金属粒子の流動性を高めるための溶剤とを含む金属焼結材ペーストが塗布される。塗布された金属焼結材ペーストの一部は、第1粗化めっき22Lの凹凸の表面張力などにより、平面視において外側に浸出する。このとき、金属粒子は溶剤よりも流動性が低いので、金属焼結材ペーストの上記浸出としては、溶剤が主に浸出し、溶剤の浸出に伴って少しの金属粒子も浸出する。
A metal sintered material paste containing metal particles as a raw material for the
この結果、金属焼結材ペーストが最初に塗布された部分では、溶剤の低減により、残部金属粒子の隙間が低減され、かつ、残部の金属粒子の粘度が高められることになる。一方、金属焼結材ペーストが浸出した部分では、少しの金属粒子が存在することになる。 As a result, in the portion where the metal sintered material paste is first applied, the gap between the remaining metal particles is reduced and the viscosity of the remaining metal particles is increased by reducing the solvent. On the other hand, in the portion where the metal sintered material paste has leached, a small amount of metal particles will be present.
このような状態で、金属焼結材ペーストが加熱されると、金属焼結材ペーストが最初に塗布された部分の金属粒子から、図5のように緻密度が高くて比較的厚い接合部12が形成される。一方、金属焼結材ペーストが浸出した部分の金属粒子から、図5及び図6のように比較的薄い金属焼結材コーティング13が形成される。なお、図5では、接合部12と、金属焼結材コーティング13とが区別して図示されているが、実際には両者は一体化されている。
When the metal sintered material paste is heated in such a state, the metal particles in the portion where the metal sintered material paste is first applied are subjected to a high density and relatively thick
図6に示すように、上記によって形成された金属焼結材コーティング13は、第1粗化めっき22Lを覆う。なお、金属焼結材コーティング13は、接合部12から十分に離れた図7のD部では第2粗化めっき22Sを覆っていないが、第1粗化めっき22L周辺の第2粗化めっき22Sを多少覆ってもよい。
As shown in FIG. 6, the metal
この金属焼結材コーティング13が、例えばAgを含む場合、硫化により生成されたOH基で水素結合を形成することができる。このため、粗化めっき22は、アンカー効果に加え、水素結合によって、封止樹脂5とより良好な密着性を得ることができる。この結果、密着性を高めることができ、十分な吸湿リフロー耐性を確保することができる。
When the metal
第1粗化めっき22LのRMSは、上述した金属焼結材ペーストの浸出を高めるために、250nm以上であることが好ましい。RMSは、原子間力顕微鏡(AFM)で測定可能な、表面粗さを示すパラメータであり、表面の平均線から測定曲線までの偏差の二乗を平均した値の平方根である。 The RMS of the first roughened plating 22L is preferably 250 nm or more in order to enhance the leaching of the metal sintered material paste described above. RMS is a parameter indicating surface roughness that can be measured by an atomic force microscope (AFM), and is a square root of a value obtained by averaging the square of the deviation from the average line of the surface to the measurement curve.
第2粗化めっき22SのRMSは、第2粗化めっき22Sと封止樹脂5との密着強度を高めたり、金属焼結材ペーストの不要な浸出を抑制したりするために、100nm以上かつ250nmより小さいことが好ましい。第2粗化めっき22SのRMSが100nmより小さい場合には、封止樹脂5の密着強度が不足し、リフロー実装時に剥離が発生する可能性がある。ただし、封止樹脂5が剥離したとしても、接合部12への影響が小さく、熱抵抗の増加に繋がらないなどの場合には、第2粗化めっき22SのRMSは100nmより小さくてもよい。さらには、第2粗化めっき22Sの表面粗さが、一般的な平坦めっきの表面粗さでも問題ない場合には、第2粗化めっき22Sは平坦めっきであってもよい。
The RMS of the second roughened plating 22S is 100 nm or more and 250 nm in order to increase the adhesion strength between the second roughened plating 22S and the sealing
次に、ヒートシンク21の表面のうち、第1粗化めっき22Lが配設される上面(接合表面及び隣接表面)について説明する。
Next, among the surfaces of the
接合表面は、半導体素子1の下面全体に対応して設けられてもよいし、溶剤及び少しの金属粒子を効率よく浸出することが可能であれば、半導体素子1の下面の四隅(4つの角部)のみ、半導体素子1の下面の長辺のみ、または、短辺のみに対応して設けられてもよい。この場合、接合表面、ひいては第1粗化めっき22Lの面積を低減することができるので、第1粗化めっき22Lを形成するコストを抑制することができる。
The bonding surface may be provided corresponding to the entire lower surface of the
接合表面に隣接する隣接表面は、接合表面(平面視における半導体素子1の端)から外側の0.5mm以内の範囲に設けられることが望ましい。このような構成によれば、金属粒子の過度の浸出を抑制することができるので、焼結後の接合部12の緻密度及び厚さが極端に低下することを抑制することができる。接合部12の緻密度及び厚さよりも封止樹脂5の密着性を優先する必要がある場合は、隣接表面は、接合表面から外側の0.5mmよりも大きな範囲であってもよい。このような構成によれば、金属焼結材コーティング13の面積を大きくすることができるため、粗化めっき22と封止樹脂5との密着性を高めることができ、十分な吸湿リフロー耐性を確保することができる。
It is desirable that the adjacent surface adjacent to the bonding surface is provided within 0.5 mm outside the bonding surface (the end of the
次に、本実施の形態1によって、接合部12の緻密度を高めることができること、及び、接合部12の厚さを接合に十分な厚さ(例えば30μm以上)にできることを、確かめた結果について説明する。
Next, regarding the results of confirming that the density of the
図8は、第1粗化めっき22Lを形成しなかったときの、半導体素子1の中央付近下の接合部12の拡大図である。図9は、第1粗化めっき22Lを形成したときの、半導体素子1の中央付近下の接合部12の拡大図であり、図5の接合部12の拡大図に相当する。
FIG. 8 is an enlarged view of the
図8に示すように、第1粗化めっき22Lを形成しなかった対比半導体装置では、接合部12の半導体素子1界面付近に存在する横クラック51や、垂直方向に割れている縦クラック52が発生している。これに対して、図9に示すように、第1粗化めっき22Lを形成した本実施の形態1の半導体装置では、横クラック及び縦クラックの発生が抑制されており、良好な接合状態が得られた。また、図8の接合部12の緻密度は71.3%であったのに対し、図9の接合部12の緻密度は79.1%であり、約10%程度向上した。さらに、図8の接合部12の厚さは12μmであったのに対し、図9の接合部12の厚さは45μmであり、十分な厚さが得られた。
As shown in FIG. 8, in the contrasting semiconductor device in which the first roughened plating 22L was not formed,
なお、接合部12の厚さが例えば30μm以上である場合には、温度サイクル試験に対する寿命を高めることができるが、これに限ったものではない。接合部12を厚くすれば、熱抵抗が増加してしまうため、半導体装置の熱設計を考慮して、接合部12の厚さを決定すればよい。
When the thickness of the
次に、粗化めっき22の材料の例について説明する。粗化めっき22は、例えば、Ni(ニッケル)めっき/Pd(パラジウム)めっき/Auめっきの積層を含み、この場合、再表面はAu層となる。Ni層、Pd層、Au層の厚みは、それぞれ、1〜3μm、0.01〜0.03μm、0.1〜3μmが好ましいがこれに限ったものではなく、金属焼結材ペーストとの接合状態によって、各層の厚みを決定すればよい。
Next, an example of the material of the roughened
上記のような粗化めっき22によれば、下地のNi層が針状に成長し、その表面にPd層及びAu層が形成されるので、粗化めっき22の表面を針状に荒らすことができる。このため、アンカー効果を高めることができるので、封止樹脂5との密着性を高めることができる。なお、粗化めっき22の表面粗さの大小は、粗化めっき22の材料やその割合によって適宜調整することができる。また、焼結時においてNi層が実質的に変形しない、または、粗化めっき22と金属焼結材ペーストとの接合が十分であれば、Pd層は不要である。
According to the roughened
<実施の形態1のまとめ>
以上のような本実施の形態1に係る半導体装置によれば、第2粗化めっき22Sよりも表面粗さが大きい第1粗化めっき22Lが、ヒートシンク21の表面のうち、半導体素子1と接合部12によって接合される接合表面上に配設される。このような構成によれば、初期クラックが抑制された、十分な厚さを有する接合部12を得ることができる。また、吸水率が高いプライマー樹脂を用いなくても、金属焼結材コーティング13によって、粗化めっきと封止樹脂5との密着性を高めることができる。これにより、例えば、吸湿リフロー耐性と温度サイクル試験に対する寿命などを向上させることができる。
<Summary of
According to the semiconductor device according to the first embodiment as described above, the first roughened plating 22L having a surface roughness larger than that of the second roughened plating 22S is bonded to the
<変形例>
実施の形態1では、ヒートシンク21はCuから構成されていたが、半導体素子1の動作による熱を逃がす機能を有するのであれば、Cuから構成されていなくてもよい。例えば、ヒートシンク21は、鉄、タングステン、モリブデン、ニッケル、コバルト、これらの合金、または、これらの複合材料から構成されてもよい。このように、高い熱伝導率(例えば200W/mk以上)を有するヒートシンク材を用いれば、半導体素子1から発生する熱を効率よく外に逃がすことができるので、接合部12に加わる歪みを低減できる。また、ヒートシンク21の形状は、四角柱に限ったものではなく、多角柱、円柱、楕円柱、これらの一部に段を設けた形状であってもよい。また、実施の形態1では基材は、ヒートシンク21であったがこれに限ったものではなく、例えば基板などであってもよい。
<Modification example>
In the first embodiment, the
また実施の形態1では、半導体素子1はSiから構成されていたが、これに限ったものではない。例えば、半導体素子1は、GaAs(ヒ化ガリウム)から構成されてもよいし、SiC(炭化珪素)、GaN(窒化ガリウム)、ダイヤモンドなどのワイドバンドギャップ半導体から構成されてもよい。半導体素子1がワイドバンドギャップ半導体から構成される場合には、電子速度の向上化、ワイドバンドギャップによる絶縁破壊電圧の耐久性の向上化、動作電力の大電力化、動作帯域幅の拡大化、高温動作可能化、小型化、及び、低コスト化といった様々なメリットを得ることができる。特に半導体素子1をGaNから構成する場合には、SiやGaAsから構成する場合と比較して、高温で動作可能であり、半導体素子1のジャンクション温度を高温化(例えば約250℃)することができる。
Further, in the first embodiment, the
また実施の形態1では、半導体素子1は、平面視にて長辺と短辺とを有する半導体素子であったが、これに限ったものではなく、例えば、全て辺が等しい半導体素子であってもよい。また、半導体素子1は、高周波通信用の半導体素子に限ったものではなく、例えば電力用の半導体素子などであってよい。
Further, in the first embodiment, the
また実施の形態1に係る半導体装置は、半導体素子1及び回路基板2を備えた。しかしながら、回路基板2は必須ではなく、半導体装置は、少なくも半導体素子1を備えていればよい。また、回路基板2の接合部12は、金属焼結材から構成されなくてもよく、例えば、基板実装時のリフロー温度(例えば250℃前後)に耐えられる、AuSn(Snはスズ)合金やPbSn合金などのはんだ材であってもよい。
Further, the semiconductor device according to the first embodiment includes a
また、接合部12の金属焼結材は、Ag焼結材に限ったものではなく、例えば、Cu焼結材、Au焼結材、Pd焼結材、Pt焼結材等の貴金属に分類される純金属をベースにした焼結材であってもよいし、Ag−Pd焼結材、Au−Si焼結材、Au−Ge焼結材、Au−Cu焼結材等の合金をベースにした焼結材であってもよい。また、接合部12の金属焼結材は、100%の金属微粒子であってもよいし、金属微粒子と樹脂材(例えば10%程度のエポキシ系、シリコン系、アクリル系樹脂など)とを混合した金属焼結材であってもよい。
Further, the metal sintered material of the
<実施の形態2>
図10〜図13は、本発明の実施の形態2に係る粗化めっき22(第1粗化めっき22L及び第2粗化めっき22S)を示す平面図である。
<
10 to 13 are plan views showing the roughened plating 22 (first roughened plating 22L and second roughened plating 22S) according to the second embodiment of the present invention.
実施の形態1では、図4に示したように、第1粗化めっき22Lは、平面視においてヒートシンク21の表面のうち、上記接合表面に隣接し、かつ、半導体素子1の外側において半導体素子1の外周部と隣接する隣接表面上にも配設されていた。しかしながら、金属焼結材ペーストの溶剤及び金属粒子のそれぞれの一部を効率よく浸出することが可能であれば、以下で説明するように、第1粗化めっき22Lが配設される隣接表面は、例えば、半導体素子1の四隅(4つ角部)近傍のみ、半導体素子1の長辺近傍のみ、または、短辺近傍のみに対応して設けられてもよい。この場合、第1粗化めっき22Lの面積を低減することができるので、第1粗化めっき22Lを形成するコストを抑制することができる。
In the first embodiment, as shown in FIG. 4, the first roughened plating 22L is adjacent to the bonding surface of the surface of the
図10に示す構成では、平面視における半導体素子1の形状は角部を有している。そして、第1粗化めっき22Lは、平面視においてヒートシンク21の表面のうち、接合表面に隣接し、かつ、半導体素子1の外側において上記角部と隣接する隣接表面上にも配設されている。このような構成によれば、第1粗化めっき22Lが、比較的大きな熱応力が発生する四隅のみに配設されるため、低コストで吸湿リフロー耐性と、温度サイクル試験に対する寿命とを確保できる。なお、図10では、第1粗化めっき22Lは、半導体素子1の4つの角部に隣接して配設されているが、対角に位置する一対の角部にのみ隣接して配設されてもよい。
In the configuration shown in FIG. 10, the shape of the
図11に示す構成では、平面視における半導体素子1の形状は、短辺及び長辺を有している。そして、第1粗化めっき22Lは、平面視においてヒートシンク21の表面のうち、接合表面に隣接し、かつ、半導体素子1の外側において上記短辺と隣接する隣接表面上にも配設されている。このような構成によれば、金属焼結材コーティング13の面積を図10の構成よりも大きくすることができるため、第1粗化めっき22Lのコストを抑えつつ、吸湿リフロー耐性と、温度サイクル試験に対する寿命とをさらに高めることができる。
In the configuration shown in FIG. 11, the shape of the
図12に示す構成では、図11に示す構成と同様に、平面視における半導体素子1の形状は、短辺及び長辺を有している。そして、第1粗化めっき22Lは、平面視においてヒートシンク21の表面のうち、接合表面に隣接し、かつ、半導体素子1の外側において上記長辺と隣接する隣接表面上にも配設されている。このような構成によれば、金属焼結材コーティング13の面積を図11の構成よりも大きくすることができるため、第1粗化めっき22Lのコストを抑えつつ、吸湿リフロー耐性と、温度サイクル試験に対する寿命とをさらに高めることができる。
In the configuration shown in FIG. 12, similarly to the configuration shown in FIG. 11, the shape of the
図13に示す構成では、平面視における半導体素子1の形状は、一対の長辺(一対の辺)を有している。そして、第1粗化めっき22Lは、平面視においてヒートシンク21の表面のうち、接合表面に隣接し、かつ、半導体素子1の外側において上記一対の長辺とそれぞれ隣接する1組以上の隣接表面上にも配設されている。各組の隣接表面同士は、平面視において半導体素子1を介して対向している。このような構成によれば、第1粗化めっき22Lが配設される領域が、平面視での縦方向及び横方向に凹凸形状を有することにより、第1粗化めっき22Lの表面積が大きくなるため、金属焼結材ペースト11の溶剤を効率的に浸出させることができる。また、第1粗化めっき22Lによる高さ方向のアンカー効果だけでなく、平面視での縦方向及び横方向のアンカー効果も得られるため、吸湿リフロー耐性と温度サイクル試験に対する寿命とをさらに高めることができる。
In the configuration shown in FIG. 13, the shape of the
<実施の形態3>
図14は、本発明の実施の形態3に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。以下、その製造方法として、実施の形態1及び実施の形態2に係る半導体装置を製造する方法について説明する。
<
FIG. 14 is a flowchart showing a method of manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. Hereinafter, as the manufacturing method, a method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment and the second embodiment will be described.
まず、第1粗化めっき22L及び第2粗化めっき22Sが配設されたヒートシンク21を準備する。そして、ステップS1にて、粗化めっきである第1粗化めっき22L上に金属焼結材ペーストを塗布する(塗布工程)。なお、金属焼結材ペーストの塗布には、ディスペンスが用いられてもよいし、スクリーン印刷やスタンピングなどが用いられてもよい。
First, a
金属焼結材ペーストは、一般的にサブミクロンサイズ、ナノサイズ、または、その両方のサイズを有する金属粒子と、金属粒子表面を覆う保護膜と、金属粒子を分散させるための溶剤とを含む。金属粒子は、球体形状に限ったものではなく、フレーク形状、球体を針状で覆った形状など、様々な形状を有してもよい。 The metal sintered material paste generally contains metal particles having a submicron size, nano size, or both sizes, a protective film covering the surface of the metal particles, and a solvent for dispersing the metal particles. The metal particles are not limited to a sphere shape, and may have various shapes such as a flake shape and a shape in which a sphere is covered with a needle shape.
ステップS2にて、一定時間待機することによって、金属焼結材ペーストの溶剤及び金属粒子のそれぞれの一部を平面視にて外側に浸出させる(ウェイト工程)。図15は、ウェイト工程後の状態を示す平面図である。なお、以下では、金属粒子がぞんざいする範囲を、金属粒子14aまたは金属粒子14bと記すこともある。
In step S2, by waiting for a certain period of time, a part of each of the solvent and the metal particles of the metal sintered material paste is leached to the outside in a plan view (waiting step). FIG. 15 is a plan view showing a state after the weighting process. In the following, the range in which the metal particles are sloppy may be referred to as the
図15に示すように、ウェイト工程によって、金属焼結材ペースト11のうち、多くの溶剤15(一部の溶剤)及び少しの金属粒子14a(一部の金属粒子)が外側に浸出する。浸出する溶剤15は、第1粗化めっき22Lを超えて第2粗化めっき22Sまで到達する。一方、浸出する金属粒子14aは、溶剤15の浸出に伴って拡がっていくが、溶剤15よりも拡がらず、ステップS1で金属焼結材ペースト11が塗布された部分から0.1mm程度の範囲に留まる。また、金属粒子は溶剤よりも流動性が低いので、ステップS1で金属焼結材ペースト11が塗布された部分には、多くの金属粒子14b(残部の金属粒子)が存在する。
As shown in FIG. 15, a large amount of solvent 15 (some solvents) and a small amount of
なお、半導体素子1が載置される領域から0.5mm外側に金属粒子14aが浸出するのにかかる時間は約1分である。浸出時間と浸出距離とは概ね比例関係にあるため、金属焼結材コーティング13となる金属粒子14aの面積によって待機時間を制御すればよい。なお、このウェイト工程によって、金属焼結材ペースト11の溶剤及び金属粒子は、第1粗化めっき22Lの表面の全てに設けられてもよいし、第1粗化めっき22Lの表面の一部に設けられてもよい。
It takes about 1 minute for the
ステップS3にて、金属焼結材ペースト11における残部の金属粒子14b上に半導体素子1を載置する(素子載置工程)。この載置には例えばマウンタなどが用いられる。半導体素子1が載置された残部の金属粒子14bは、半導体素子1から押されることによりある程度拡がる。
In step S3, the
ステップS4にて、例えば無加圧で金属焼結材ペースト11を加熱して、残部の金属粒子14bを焼結することによって、半導体素子1とヒートシンク21とを接合する接合部12を形成する(接合工程)。なお、金属焼結材ペースト11を約200℃で加熱すると、保護膜や溶剤の揮発が高められ、ネッキング焼結した金属粒子14bを含む接合部12が形成される。ネッキング焼結した接合部12は、バルクの金属と実質的に同じ熱伝導率及び耐熱性を有することが期待される。
In step S4, for example, the metal sintered
図16は、接合工程後の状態を示す平面図である。焼結後、溶剤15は、溶剤の排出跡17となり、残部の金属粒子14bは、断面視において裾広がり形状(フィレット)を有する接合部12となり、一部の金属粒子14bは、金属焼結材コーティング13となる。なお、金属焼結材コーティング13は、第1粗化めっき22Lとほぼ同じ領域を有するため、第1粗化めっき22Lの位置及び面積を制御することで、金属焼結材コーティング13の位置及び面積を制御することが可能になる。
FIG. 16 is a plan view showing a state after the joining process. After sintering, the solvent 15 becomes a
ステップS5にて、半導体素子1及び回路基板2の表面電極、並びに、リード4をボンディングワイヤ3にて接続することによって、これらを電気的に接続する(接続工程)。
In step S5, the surface electrodes of the
ステップS6にて、半導体素子1及び回路基板2を覆い、かつ、ヒートシンク21及びリード4の少なくとも一部を覆う封止樹脂5を形成する(封止工程)。以上により、実施の形態1及び実施の形態2に係る半導体装置が完成する。
In step S6, the sealing
<実施の形態3のまとめ>
以上のような本実施の形態3に係る半導体装置の製造方法によれば、実施の形態1及び実施の形態2に係る半導体装置、つまり、初期クラックが抑制された接合部12を備える半導体装置を形成することができる。また本実施の形態3によれば、金属焼結材コーティング13を形成することができるので、製造工程の複雑化を抑制することができる。
<Summary of
According to the method for manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment as described above, the semiconductor device according to the first and second embodiments, that is, the semiconductor device including the
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態及び各変形例を自由に組み合わせたり、各実施の形態及び各変形例を適宜、変形、省略したりすることが可能である。 In the present invention, each embodiment and each modification can be freely combined, and each embodiment and each modification can be appropriately modified or omitted within the scope of the invention.
1 半導体素子、4 リード、5 封止樹脂、11 金属焼結材ペースト、12 接合部、14a,14b 金属粒子、15 溶剤、21 ヒートシンク、22L 第1粗化めっき、22S 第2粗化めっき。 1 Semiconductor element, 4 leads, 5 sealing resin, 11 metal sintered material paste, 12 joints, 14a, 14b metal particles, 15 solvent, 21 heat sink, 22L 1st roughened plating, 22S 2nd roughened plating.
Claims (9)
前記半導体素子と接合される基材と、
前記半導体素子と前記基材とを接合する、金属焼結材を含む接合部と、
前記半導体素子と電気的に接続されたリードと、
前記半導体素子を覆い、かつ、前記基材と前記リードとの少なくとも一部を覆う封止樹脂と、
前記基材の表面のうち、前記半導体素子と前記接合部によって接合される接合表面上に配設された第1粗化めっきと、
前記基材の前記封止樹脂に沿った表面の少なくとも一部の表面上に配設された第2粗化めっきと
を備え、
前記第1粗化めっきは、前記第2粗化めっきよりも表面粗さが大きい、半導体装置。 With semiconductor elements
The base material bonded to the semiconductor element and
A joint portion containing a metal sintered material that joins the semiconductor element and the base material,
A reed electrically connected to the semiconductor element,
A sealing resin that covers the semiconductor element and at least a part of the base material and the lead.
Of the surface of the base material, the first roughened plating disposed on the bonding surface to be bonded by the semiconductor element and the bonding portion,
It comprises a second roughened plating disposed on at least a part of the surface of the base material along the sealing resin.
The first roughened plating is a semiconductor device having a surface roughness larger than that of the second roughened plating.
前記第1粗化めっきのRMSは、250nm以上であり、
前記第2粗化めっきのRMSは、100nm以上かつ250nmより小さく、
前記第1粗化めっきは、平面視において前記基材の表面のうち、前記接合表面と隣接する隣接表面上にも配設され、
前記隣接表面は、前記接合表面から0.5mm以内の範囲に設けられている、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1.
The RMS of the first roughened plating is 250 nm or more, and is
The RMS of the second roughened plating is 100 nm or more and smaller than 250 nm.
The first roughened plating is also disposed on an adjacent surface of the surface of the base material adjacent to the joint surface in a plan view.
A semiconductor device in which the adjacent surface is provided within a range of 0.5 mm from the bonded surface.
平面視における前記半導体素子の形状は角部を有し、
前記第1粗化めっきは、平面視において前記基材の表面のうち、前記接合表面に隣接し、かつ、前記半導体素子の外側において前記角部と隣接する隣接表面上にも配設されている、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 or 2.
The shape of the semiconductor element in a plan view has corners and has corners.
The first roughened plating is also arranged on the surface of the base material, which is adjacent to the bonding surface in a plan view and is adjacent to the corner portion on the outside of the semiconductor element. , Semiconductor device.
平面視における前記半導体素子の形状は、短辺及び長辺を有し、
前記第1粗化めっきは、平面視において前記基材の表面のうち、前記接合表面に隣接し、かつ、前記半導体素子の外側において前記短辺及び前記長辺の少なくともいずれか一方の辺と隣接する隣接表面上にも配設されている、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 or 2.
The shape of the semiconductor element in a plan view has a short side and a long side, and has a short side and a long side.
The first roughened plating is adjacent to the bonding surface of the surface of the base material in a plan view, and is adjacent to at least one of the short side and the long side on the outside of the semiconductor element. A semiconductor device that is also arranged on an adjacent surface.
平面視における前記半導体素子の形状は、一対の辺を有し、
前記第1粗化めっきは、平面視において前記基材の表面のうち、前記接合表面に隣接し、かつ、前記半導体素子の外側において前記一対の辺とそれぞれ隣接する1組以上の隣接表面上にも配設されており、
各組の前記隣接表面同士は、平面視において前記半導体素子を介して対向している、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 or 2.
The shape of the semiconductor element in a plan view has a pair of sides and has a pair of sides.
The first roughened plating is performed on one or more adjacent surfaces of the surface of the base material in a plan view, which are adjacent to the bonding surface and adjacent to the pair of sides on the outside of the semiconductor element. Is also arranged,
A semiconductor device in which the adjacent surfaces of each set face each other via the semiconductor element in a plan view.
前記第2粗化めっきは、前記リードの前記封止樹脂に沿った表面の少なくとも一部の表面上にも配設されている、半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 5.
The second roughening plating is a semiconductor device that is also disposed on at least a part of the surface of the lead along the sealing resin.
前記金属焼結材ペーストにおける残部の前記金属粒子上に半導体素子を載置する工程と、
前記金属焼結材ペーストを加熱して、前記残部の金属粒子を焼結することによって、前記半導体素子と前記基材とを接合する接合部を形成する工程と、
前記半導体素子にリードを電気的に接続する工程と、
前記半導体素子を覆い、かつ、前記基材と前記リードとの少なくとも一部を覆う封止樹脂を形成する工程と
を備える、半導体装置の製造方法。 A step of applying a metal sintered material paste on the roughened plating provided on the surface of the base material and leaching a part of each of the solvent and the metal particles of the metal sintered material paste to the outside in a plan view.
The step of placing the semiconductor element on the metal particles remaining in the metal sintered material paste, and
A step of forming a joint portion for joining the semiconductor element and the base material by heating the metal sintering material paste and sintering the remaining metal particles.
The process of electrically connecting the reed to the semiconductor element and
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising a step of forming a sealing resin that covers the semiconductor element and covers at least a part of the base material and the lead.
前記金属焼結材ペーストの前記溶剤及び前記金属粒子のぞれぞれの前記一部を浸出させる前記工程によって、当該金属焼結材ペーストの前記溶剤及び前記金属粒子を前記粗化めっきの表面の全てに設ける、半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 7.
By the step of leaching the solvent of the metal sintered material paste and a part of each of the metal particles, the solvent and the metal particles of the metal sintered material paste are brought to the surface of the roughened plating. A method for manufacturing semiconductor devices, which is provided for all.
前記金属焼結材ペーストの前記溶剤及び前記金属粒子のぞれぞれの前記一部を浸出させる前記工程によって、当該金属焼結材ペーストの前記溶剤及び前記金属粒子を前記粗化めっきの表面の一部に設ける、半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 7.
By the step of leaching the solvent of the metal sintered material paste and a part of each of the metal particles, the solvent and the metal particles of the metal sintered material paste are brought to the surface of the roughened plating. A method for manufacturing a semiconductor device provided in a part.
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