JP4023032B2

JP4023032B2 - 半導体装置の実装構造及び実装方法

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Publication number: JP4023032B2
Application number: JP15574599A
Authority: JP
Inventors: 健史渡辺; 和仁野村; 平井　　康義
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1999-06-02
Filing date: 1999-06-02
Publication date: 2007-12-19
Anticipated expiration: 2019-06-02
Also published as: JP2000349207A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大電力用半導体デバイスの電極との接合に用いられる半導体装置の実装構造及び実装方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体デバイスの電極と電気配線等との電気的接続は、図４に示すように、Ｓｉチップ５１に設けられた複数の電極５２のそれぞれにＡｌワイヤ５３を図中矢印で示すように、１つ１つＡｌワイヤ５３をワイヤボンディングすることによって行なっている。例えば、Ｓｉチップ５１に備えられた電極５２にφ２００μｍ以上のＡｌワイヤ５３を用いたワイヤボンディングが広く使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したように、大電力用半導体デバイスにＡｌワイヤ５３による接続方法を用いると、Ａｌワイヤ５３に大電流を流してＳｉ素子が発熱したときに、Ａｌワイヤ５３とＳｉチップ５１との熱膨張係数差によりボンディング部分に熱応力が生じ、ボンディング部周囲から中心部に向かって亀裂が進展し、接続不良となるという問題が発生しうる。
【０００４】
近年では、パワーデバイスとして、さらに大電流化が要求されるようになっているため、Ｓｉチップ５１に接続するＡｌワイヤ５３の多本数化、大径化が必要とされるのであるが、このような場合に特に上記問題が発生しやすくなる。
【０００５】
また、Ｓｉチップ５１の小型化に応じて、単位面積当たりの電流密度が大きくなるため、より発熱し、ワイヤボンディングの冷熱耐久寿命はさらに短くなる傾向にある。
【０００６】
本発明は上記問題に鑑みて成され、大電力用半導体デバイスの電極との電気的な接合部位における冷熱耐久性を向上させることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決すべく、請求項１に記載の発明においては、一面側に電極（２）が形成されてなるＳｉにて構成された半導体チップ（１）と、電極上に配置されたバンプ部（６）と、半導体チップのうち電極が形成されている面と対向する面を有してなり、バンプ部と接合されて、該バンプ部を介して電極と電気的に接合された接合部材（４）と、接合部材に接続されたリード（３）と、半導体チップのうち、電極が設けられた面の反対側に配置された第１の放熱板（８）とを有して構成され、接合部材と第１の放熱板とは、半導体チップの材料と熱膨張係数が近似するように、接合部材の材料はＭｏ、第１の放熱板はＡｌＮで構成され、接合部材と第１の放熱板とは同等の厚みで構成されていると共に、接合部材のうち、バンプ部と接する部位は、突起部（４ａ）となっていることを特徴とする。
このように、接合部材のうち、バンプ部と接する部位は、突起部（４ａ）にすると好ましい。
【０００８】
さらに、半導体チップを接合部材と第１の放熱板とで挟み込んだ構成にすると共に、これら接合部材と放熱板とを半導体チップと熱膨張係数が近似した材質となるように接合部材の材料をＭｏとすると共に第１の放熱板をＡｌＮで構成することにより、熱膨張係数差に基づく熱応力の発生を抑制することができる。このため、半導体チップとの電気的な接合部における冷熱耐久性を向上させることができる。
この場合、接合部材と第１の放熱板とを同等の厚みにすると、熱膨張係数差に基づく熱応力の発生を抑制することができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明においては、接合部材を挟んで、半導体チップの反対側には、第２の放熱板（７）が配置されていることを特徴としている。
【００１０】
このように、第１、第２の放熱板で半導体チップを挟むようにすれば、第１、第２の放熱板のそれぞれで熱を放射させることができるため、半導体チップの高温化を抑制することができる。
【００１１】
例えば、請求項３に示すように、第１、第２の放熱板の外周を、枠部材（１８）で囲い、第１、第２の放熱板及び枠部材を、これらの間の液密性が保持されるように組付ければ、半導体装置を水等の冷却液中に入れ、冷却することも可能である。
【００１２】
なお、請求項１ないし５に記載の半導体装置の実装構造は、請求項６に示すように、半導体チップに１００Ａ／ｃｍ²以上の電流を流すような大電流用デバイスに用いると好適である。
【００１３】
また、請求項１ないし６に示す構造は、請求項７に示すように、半導体チップ（１）と接合部材（４）を備えたリード（３）とを用意し、電極と接合部材の間にバンプ部を配置したのち、該バンプ部を介して電極と接合部材とを接合し、接合部材のうちバンプ部と接する部位を突起部（４ａ）とすることにより製造される。
この場合、半導体チップのうち電極が形成された面の反対側に、接合部材と同等の厚みを有して構成されてなる放熱板（８）を配置すると好ましい。このような放熱板（８）をＡｌＮにて構成することができる。
【００１４】
この場合、請求項８に示すように、半導体チップ上に接合部材を備えたリードを搭載し、接合部材を超音波振動させることによって行なうことによって、接合部材と電極とを接合してもよい。
【００１５】
（参考実施形態）
上記実施形態では、Ｚｎ−Ｓｎはんだ６を介してリード３の先端位置に備えられた接合部材４とＳｉチップ１上の各エミッタ電極２との電気的接合を行なったが、この他の方法を用いて行なってもよい。
【００１６】
なお、上記括弧内の符号は、後述する実施形態における図中に表わされる符号との対応関係を示している。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の一実施形態を適用した大電力用デバイスの実装構造の断面構成を示す。以下、図１に基づき上記実装構造について説明する。
【００１８】
図１に示すＳｉチップ１には、電流がＳｉチップ１の表裏面方向に向かって流れるいわゆる縦型構造のＩＧＢＴが大電力用デバイスとして形成されている。このＩＧＢＴは複数のユニットセルで構成されている。そして、Ｓｉチップ１の表面には、複数のユニットセルからなるＩＧＢＴのそれぞれに電気的に接続された複数の電極２が形成されている。これら複数の電極２はＡｌで構成されており、ＩＧＢＴのエミッタ電極を構成している。以下、電極２をエミッタ電極という。
【００１９】
そして、エミッタ電極２に接続される引き出し用のリード３の先端、つまりエミッタ電極２との接続部位には、Ｓｉチップ１の表面と対向する面を有する接合部材４が配置されている。この接合部材４は、ＡｌよりもＳｉと熱膨張係数が近似しているＭｏで構成されている。
【００２０】
接合部材４のうちＳｉチップ１と対向する面には、複数のエミッタ電極２のそれぞれと対応する位置にそれぞれ突起部４ａが備えられている。これら突起部４ａの先端位置にはＮｉ／Ａｕメッキ５が施されており、このＮｉ／Ａｕメッキ５の表面にはＺｎ−Ｓｎはんだ６が配置されている。
【００２１】
そして、このＺｎ−Ｓｎはんだ６を介して、複数のエミッタ電極２と接合部材４が電気的に接合された状態となっている。このＺｎ−Ｓｎはんだ６に含まれているＺｎはＡｌに対して拡散定数が大きく、電気伝導性が良好な金属である。ただし、Ｚｎの融点が４２０℃と高温であるため、Ｓｎとの合金とすることによってＺｎ−Ｓｎの共晶温度１９８℃まで融点温度が低下するようにしている。
【００２２】
このように、エミッタ電極２からの引き出し用のリード３は、接合部材４を介してＳｉチップ１上のエミッタ電極２と電気的に接合されるように構成されている。
【００２３】
さらに、リード３のうち接合部材４が配置された側の反対側には、ＡｌＮで構成された放熱板７が備えられている。このように、Ｓｉチップ１の表面側においては、放熱板７を介して、Ｓｉチップ１が発した熱が放射できるようになっている。
【００２４】
一方、Ｓｉチップ１の裏面側には、ＡｌＮで構成された放熱板８が配置されている。この放熱板８は、接合部材４と略同等の厚みで構成されている。この放熱板８の表面には、金属箔配線９がパターニングされており、Ｓｉチップ１の裏面ははんだ１０を介して金属箔配線９に電気的に接続された状態となっている。そして、金属箔配線９には取り出し用のリード１１が接続されている。このように、Ｓｉチップ１の裏面側においては、放熱板８を介して、Ｓｉチップ１が発した熱が放射できるようになっている。
【００２５】
さらに、Ｓｉチップ１の表面側にはまた、ＩＧＢＴのゲート電極１２が形成されている。このゲート電極１２は、Ｚｎ−Ｓｎはんだ１３を介して配線部１４に接続されている。この配線部１４はＳｉチップ１の裏面側に接続された放熱板８方向に取り回され、はんだ１５を介して放熱板８上にパターニングされた金属箔配線１６に電気的に接続されている。そして、金属箔配線１６には取り出し用のリード１７が接続されている。
【００２６】
そして、Ｓｉチップ１の表面側に配置された放熱板７と、Ｓｉチップ１の裏面側に配置された放熱板８は同様の形状（例えば、４角形）で構成されており、これら放熱板７、８の外周を樹脂ケース１８で囲んで、Ｓｉチップ１の防水がなされるようになっている。
【００２７】
なお、樹脂ケース１８には、部分的に開口部が形成されており、この開口部を通じて各リード３、１１、１７が樹脂ケース１８の外部に引き出せるようになっている。
【００２８】
このように構成された大電力用デバイスの実装構造は、例えば、放熱板７、８を冷却液に浸すことで、放熱板７、８から冷却液へ放熱が行われるように構成される。このとき、Ｓｉチップ１の表裏面の両面において、放熱板７、８を配置し、両面から放熱が行われるようにしているため、片面のみから行われる場合に比して放熱効率を良好にすることができる。これにより、Ｓｉチップ１に例えば１００Ａ／ｃｍ²以上の大電流を流した時に、Ｓｉチップ１が発熱しても、Ｓｉチップ１が高温にならないようにすることができる。
【００２９】
このように、Ｓｉチップ１の高温化を抑制することによって、Ｓｉチップ１が高温となることによって発生するＳｉチップ１との電気的接合が行われる部分の熱膨張係数の相違による熱応力の発生をより低減することができる。
【００３０】
さらに、本実施形態の実装構造においては、Ｓｉチップ１と接合される基板として、接合部材４と放熱板８を用いている。これら、接合部材４と放熱板８は、それぞれＭｏとＡｌＮという、Ｓｉと熱膨張係数が近似する物質で構成しているため、Ｓｉチップ１との熱膨張係数の相違による熱応力が発生しにくくできる。このため、熱応力による接続部位の剥離が発生し難くすることができる。
【００３１】
ただし、ＭｏやＡｌＮの熱膨張係数がＳｉの熱膨張係数と近似しているとしても熱応力を完全に抑制することはできない。このため、本実施形態では、接合部材４と放熱板８によってＳｉチップ１を挟み込んだサンドイッチ構造とすることによって、Ｓｉチップ１の表裏に同等の熱応力が発生するようにでき、互いに打ち消し合うようにできるため、Ｓｉチップ１と接合部材４若しくは放熱板８との熱膨張係数の相違から生じるバイメタル効果による反りをさらに抑制することができる。
【００３２】
次に、本実施形態における大電流用デバイスの実装工程について説明する。この実装工程を図２に示し、この図に基づいて説明する。
【００３３】
まず、複数のユニットセルからなるＩＧＢＴ、及びこのＩＧＢＴのエミッタ電極２が形成されたＳｉチップ１を用意すると共に、先端位置に接合部材４が配置されたリード３を用意する。
【００３４】
この接合部材４は、Ｓｉチップ１と対向する面を有している。この面のうち、Ｓｉチップ１のエミッタ電極２のそれぞれと対応する位置には、突起部４ａが形成されており、この突起部４ａの先端をＮｉ／Ａｕメッキ５を施す。このように、Ｎｉメッキを施すことにより、Ｚｎ−Ｓｎはんだ６が濡れ易いようにできる。また、このようにＮｉメッキのみでなく、Ａｕメッキも施すことにより、Ｎｉメッキの酸化を防止することができる。
【００３５】
そして、各突起部４ａの先端にＺｎ−Ｓｎはんだ６を塗布したのち、対応し合う突起部４ａとエミッタ電極２のそれぞれが一致するように位置合わせして、リード３をＳｉチップ１上に搭載する。
【００３６】
そして、Ｚｎ−Ｓｎの共晶温度以上の温度、例えば２１０〜２５０℃の熱処理を施し、Ｚｎ−Ｓｎはんだ６を溶融する。これにより、エミッタ電極２及びＮｉ／Ａｕメッキ５にＺｎ−Ｓｎはんだ６が濡れ広がり、リード３とＳｉチップ１が接合される。
【００３７】
この後、表面に金属箔配線９、１６をパターニングした放熱板８を用意し、はんだ１０を介して放熱板８上の金属箔配線９とＳｉチップ１の裏面とを接続すると共に、配線部１４やはんだ１５を介してＳｉチップ１表面側に形成されたゲート電極１２と金属箔配線１６とを接合する。
【００３８】
接合手順は、はんだ材質によりＳｉチップ１と接合部材４を接合後、Ｓｉチップ１と放熱板８、Ｓｉチップ１と配線部１４を接合しても、Ｓｉチップ１と放熱板８を接合後、Ｓｉチップ１と接合部材４、Ｓｉチップ１と配線部１４を接合しても、Ｓｉチップ１と放熱板８、Ｓｉチップ１と接合部材４、Ｓｉチップ１と配線部１４を同時に接合してもよい。
【００３９】
そして、金属箔配線９、１６にリード１１、１７を接続すると共に、Ｓｉチップ１の表面側に配置されたリード３上に放熱板７を固定し、さらに放熱板７、８の外周を樹脂ケース１８で囲むことによって本実施形態に示す実装構造が完成する。
【００４０】
（他の実施形態）
上記実施形態では、Ｚｎ−Ｓｎはんだ６を介してリード３の先端位置に備えられた接合部材４とＳｉチップ１上の各エミッタ電極２との電気的接合を行なったが、この他の方法を用いて行なってもよい。
【００４１】
例えば、図３に示すように、接合部材４のうちＳｉチップ２と対向する面に、各エミッタ電極２のそれぞれと対応する位置に軟金属２０を配置する。この軟金属２０としては、例えば、Ａｌを採用することができる。そして、各エミッタ電極２と各軟金属２０とを位置合わせして、リード３をＳｉチップ１上に搭載する。その後、図中の矢印に示すように、超音波振動を加えることによって軟金属２０とエミッタ電極２とを擦り合わせることで、これらを電気的に接合する事も可能である。
【００４２】
なお、このとき、接合部分全体を３６０℃程度に加熱すれば、振動幅、振動速度を下げることができるため、振動によるＳｉチップ１のダメージを低減することができる。また、軟金属２０をＡｌ等で形成する場合、軟金属２０の両接合面をＡｕ膜で覆ったり、Ａｕ微粉末で覆ったりすることによって、よりエミッタ電極２や接合部材４と接合され易くすることもできる。
【００４３】
また、接合部材４に突起部４ａを形成しなくても接合部材４とＳｉチップ１とを接合する事も可能である。
【００４４】
例えば、Ｓｉチップの表面に備えられるエミッタ電極をＳｉチップの表面から突出するように構成し、接合部材にＺｎ−Ｓｎはんだを用いてはんだ付けすることができる。また、ＳｉチップのＡｌ電極上にＡｕバンプあるいはＣｕバンプを配置し、超音波接合によってＡｌ電極上の各バンプと接合部材とを接合するようにしてもよい。また、ＳｉチップのＡｌ電極上にＡｕバンプ等を配置したのち、Ａｕバンプなどに接合部材を押し付け、加熱処理を施す事で、各バンプと接合部材とを接合してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における大電流用デバイスの実装構造を表わす断面図である。
【図２】図１の大電流用デバイスの実装方法を示す図である。
【図３】他の実施形態における大電流用デバイスの実装構造を表わす断面図である。
【図４】従来における大電流用デバイスの実装構造を表わす断面図である。
【符号の説明】
１…Ｓｉチップ、２…エミッタ電極、３、１１、１７…リード、３…接合部材、４ａ…突起部、５…Ｎｉ／Ａｕメッキ、６、１３…Ｚｎ−Ｓｎはんだ、７、８…放熱板、９、１６…金属箔配線、１０、１５…はんだ、１２…ゲート電極、１４…配線部、１８…樹脂ケース。

Claims

一面側に電極（２）が形成されてなるＳｉにて構成された半導体チップ（１）と、
前記電極上に配置されたバンプ部（６）と、
前記半導体チップのうち前記電極が形成されている面と対向する面を有してなり、前記バンプ部と接合されて、該バンプ部を介して前記電極と電気的に接合された接合部材（４）と、
前記接合部材に接続されたリード（３）と、
前記半導体チップのうち、前記電極が設けられた面の反対側に配置された第１の放熱板（８）とを有して構成され、
前記接合部材と前記第１の放熱板とは、前記半導体チップの材料と熱膨張係数が近似するように、前記接合部材の材料はＭｏ、前記第１の放熱板はＡｌＮで構成され、
前記接合部材と前記第１の放熱板とは同等の厚みで構成されていると共に、前記接合部材のうち、前記バンプ部と接する部位は、突起部（４ａ）となっていることを特徴とする半導体装置の実装構造。
前記接合部材を挟んで、前記半導体チップの反対側には、第２の放熱板（７）が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の実装構造。
前記第１、第２の放熱板の外周は、枠部材（１８）で囲まれており、前記第１、第２の放熱板及び前記枠部材は、これらの間の液密性が保持されるように組付けられていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の実装構造。
前記接合部材のうち前記バンプ部と接する部位には、Ｎｉを含む金属材料が塗布されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の半導体装置の実装構造。
前記バンプ部は、Ｚｎを含有するはんだで構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の半導体装置の実装構造。
前記半導体チップには、１００Ａ／ｃｍ²以上の電流が流されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の半導体装置の実装構造。
一面側に電極（２）が備えられている半導体チップ（１）の該電極を、バンプ部（６）を介してリード（３）に電気的に接合する半導体装置の実装方法において、
一面側に電極が備えられたＳｉにて構成される半導体チップを用意する工程と、
前記半導体チップのうち前記電極が形成されている面と対向する面を有すると共に前記半導体チップと熱膨張係数が近似する材質で構成された接合部材（４）を備えたリード（３）を用意する工程と、
前記電極と前記接合部材の間に前記バンプ部を配置したのち、該バンプ部を介して前記電極と前記接合部材とを接合する工程と、
前記半導体チップのうち前記電極が形成された面の反対側に、前記半導体チップと熱膨張係数が近似するＡｌＮにて構成され、かつ、前記接合部材と同等の厚みを有して構成されてなる放熱板（８）を配置する工程と、を含み、
前記接合部材のうち前記バンプ部と接する部位を突起部（４ａ）とすることを特徴とする半導体装置の実装方法。
前記電極と前記接合部材との接合工程は、前記半導体チップ上に前記接合部材を備えたリードを搭載し、前記接合部材を超音波振動させることによって行なうことを特徴とする請求項７に記載の半導体装置の実装方法。