TW201304061A - 半導體裝置及佈線基板 - Google Patents

Abstract

本發明之一實施形態之半導體裝置(10)包括：絕緣性基板(121)；佈線層(122)，其形成於絕緣性基板之第1主表面(121a)上；及半導體元件(14)，其搭載於佈線層上。於該半導體裝置中，佈線層包括含有銅及熱膨脹係數小於銅之金屬之第1含銅材料，且第1含銅材料之熱膨脹係數小於銅之熱膨脹係數。

Description

半導體裝置及佈線基板

本發明係關於一種半導體裝置及佈線基板。

作為半導體裝置之一例，已知有包括佈線基板及安裝於佈線基板上之半導體元件的半導體裝置(參照非專利文獻1)。作為上述佈線基板，採用有具有利用銅佈線及包含銅之散熱層而夾入陶瓷基板之夾層結構的DBC(直接覆銅，Direct Bonding Copper)基板。半導體元件藉由焊接而固定於佈線基板之銅佈線上，半導體元件之上部(與絕緣性基板相反之側)之電極與銅佈線係利用鋁線等而電性連接。於上述銅佈線上焊接有用於外部連接之端子，藉由該端子來驅動半導體裝置。

先行技術文獻 非專利文獻

非專利文獻1：岩室憲幸等人著，「SiC/GaN功率裝置之製造製程及散熱、冷卻技術」，第1版，技術資訊協會股份有限公司，2010年2月26日，p120

然而，當半導體裝置受到驅動時，半導體裝置因驅動而帶有熱。於該情形時，因構成半導體元件之半導體與銅的熱膨脹係數之差，而於半導體元件與佈線之接合部產生熱應變或應力。其結果為，存在於上述接合部產生裂痕等而 使半導體裝置損壞之虞。因此，要求提高半導體裝置之可靠性。

因此，本發明之目的在於提供一種可實現較高之可靠性之半導體裝置及佈線基板。

本發明之一態樣之半導體裝置包括：絕緣性基板；佈線層，其形成於絕緣性基板之第1主表面上；及半導體元件，其搭載於佈線層上。上述佈線層包括含有銅及熱膨脹係數小於銅之金屬之第1含銅材料，且第1含銅材料之熱膨脹係數小於銅之熱膨脹係數。

於該構成中，佈線層包括具有小於銅之熱膨脹係數之熱膨脹係數的第1含銅材料。因此，與例如佈線層由銅構成之情形相比，半導體元件與佈線層之熱膨脹係數差更小。於該情形時，即便因半導體裝置之驅動而產生熱，於半導體元件與佈線層之接合部所產生之熱應變或熱應力亦會降低。其結果為，由於可穩定地驅動半導體裝置，故使半導體裝置之可靠性提高。

於一實施形態中，上述第1含銅材料可為具有積層有由銅構成之第1層及由上述金屬構成之第2層之積層結構的複合材料。又，上述第1含銅材料可為包含銅及上述金屬之合金。於第1含銅材料為上述複合材料之情形時，第1含銅材料之製作較為容易。又，於第1含銅材料為上述合金之情形時，更易調整第1含銅材料之熱膨脹係數。

於第1含銅材料為複合材料之情形時，該複合材料可依 序積層第1層、第2層及第3層而構成。於該情形時，因為係由包含銅之第1層而夾著第2層，故佈線層之表面包含銅。其結果為，與佈線層包含銅之情形相同，可將佈線層接合於絕緣性基板。

於一實施形態中，上述金屬可為鉬或鎢。

於一實施形態中，半導體裝置可包括：散熱層，其形成於絕緣性基板之與第1主表面相反之側之第2主表面上；及散熱片，其經由散熱層而與絕緣性基板接合。於該形態中，散熱層可包括含有銅之第2含銅材料。而且，第2含銅材料之熱膨脹係數可大於絕緣性基板之熱膨脹係數且為散熱片之熱膨脹係數以下。

由於絕緣性基板與散熱片係經由包含上述第2含銅材料之散熱層而接合，故可緩和絕緣性基板與散熱片之間之熱膨脹性係數差。其結果為，絕緣性基板與散熱片之間之熱應力等降低。因此，半導體裝置之可靠性進一步提高。

於一實施形態中，第2含銅材料之組成可與第1含銅材料之組成相同。於該情形時，由於係在絕緣性基板之第1主表面及第2主表面設置相同材料，故絕緣性基板難以產生翹曲。

於一實施形態中，構成半導體元件之半導體可為寬帶隙半導體。包括使用有寬帶隙半導體之半導體元件的半導體裝置可於更高之溫度下驅動。因此，藉由使用上述第1含銅材料，可進一步提高半導體裝置之可靠性。

本發明之另一態樣係關於搭載半導體元件之佈線基板。 該佈線基板包括：絕緣性基板；及佈線層，其形成於絕緣性基板之主表面上，且搭載半導體元件。上述佈線層包括含有銅及熱膨脹係數小於銅之金屬之含銅材料，且含銅材料之熱膨脹係數小於銅之熱膨脹係數。

於該構成中，由於佈線層包括熱膨脹係數小於銅之含銅材料，故半導體元件與佈線層之熱膨脹係數差小於例如佈線層由銅構成之情形。因此，即便因半導體元件之驅動而產生熱，半導體元件與佈線層之間所產生之熱應變或熱應力亦會降低。其結果為，由於可穩定地驅動搭載於佈線基板上之半導體元件，故包括佈線基板及半導體元件之裝置之可靠性提高。

根據本發明，可提供一種能實現較高之可靠性的半導體裝置及搭載半導體元件之佈線基板。

以下，參照圖式對本發明之實施形態進行說明。於圖式說明中對同一要素附加同一符號，並省略重複之說明。圖式之尺寸比率並非一定與所說明者一致。說明中，表示「上」、「下」等方向之用語係基於圖式所示狀態之便於說明之用語。

圖1係表示一實施形態之半導體裝置之概略構成之剖面圖。圖2係圖1所示之半導體裝置所包括之佈線基板之立體圖。半導體裝置10為包括佈線基板12、搭載於佈線基板12上之半導體元件14及相對於佈線基板12而配置於與半導體 元件14相反之側之散熱片16的半導體模組。半導體裝置10例如可為用於電源等中之電力用半導體裝置。

半導體元件14之例包括絕緣型場效電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)、接合型場效電晶體及雙極電晶體。MOSFET之例可包括立式MOSFET及橫式MOSFET。構成半導體元件14之半導體之例包括設為SiC及GaN之寬帶隙半導體及Si。

如圖1及圖2所示，佈線基板12包括：絕緣性基板121；及佈線層122，其設置於絕緣性基板121之正面(第1主表面)121a上。佈線層122可經由焊料等而與背面121b接合或者直接與絕緣性基板121接合。絕緣性基板121之俯視形狀之例可包括長方形及正方形。於一實施形態中，絕緣性基板121之材料之一例為氧化鋁(熱膨脹係數：約7.0×10^-6/K)。佈線層122包括相互絕緣之複數個導電性佈線區域(以下簡稱為佈線)122A、122B。複數個佈線122A、122B係以特定之佈線圖案而配置。於圖1中例示有2個佈線122A、122B，但佈線並不限定於2個。

於構成佈線層122之一部分之佈線122A上搭載半導體元件14。半導體元件14焊接於佈線122A上。即，於半導體元件14與佈線層122之間介有作為接著層之層狀焊錫18A。焊錫18A之一例為Sn-Ag-Cu系焊錫。於半導體元件14為立式MOSFET之情形時，半導體元件14之下部為汲極電極。因此，藉由利用焊錫18A將半導體元件14固定於佈線122A上，而使佈線122A與半導體元件14電性連接。設置於半導 體元件14之上部之電極係經由鋁線等接線20而與佈線122B電性連接。於半導體元件14之下部不具有電極之情形時，可將除與佈線122B連接之電極之外的設置於半導體元件14之上部之電極與佈線122A進行打線結合，從而使半導體元件14與佈線122A電性連接。

利用焊錫18B等將端子22A、22B分別固定於佈線122A、122B上，藉此，可利用端子22A、22B使半導體元件14連接至外部。焊錫18B之一例為Sn-Ag-Cu系焊錫。此處係例示半導體元件14與佈線層122之連接關係之一例，但只要以利用連接於佈線層122之端子22A、22B等使半導體元件14動作之方式使半導體元件14與佈線層122電性連接即可。

佈線層122包括含有銅且熱膨脹係數小於銅之含銅材料(第1含銅材料)。於一實施形態中，含銅材料之熱膨脹係數可小於銅之熱膨脹係數、且為構成半導體元件14之半導體之熱膨脹係數以上。含銅材料包含銅(熱膨脹係數：約16.8×10^-6/K)及熱膨脹係數小於銅之其他金屬。此種含銅材料可為複合材料或合金。含銅材料中所包含之與銅不同之其他金屬之例包括鉬(熱膨脹係數：約5.1×10^-6/K)及鎢(熱膨脹係數：約4.5×10^-6/K)。只要熱膨脹係數小於銅，則含銅材料可包含一種與銅不同之上述其他金屬。因此，含銅材料亦可包含2種以上與銅不同之金屬。

於含銅材料為銅與熱膨脹係數小於銅之其他金屬之複合材料之情形時，該複合材料可具有積層有包含銅之層(第1 層)及包含上述其他金屬之層(第2層)的積層結構。

圖3係表示含銅材料為複合材料之情形時之佈線層之一例之示意圖。於圖3所示之形態中，佈線層122係藉由3層結構之複合材料而構成，該3層結構中，包含熱膨脹係數小於銅之金屬之中間層(第2層)122a由包含銅之表層(第1層)122b、122b夾著。於圖3所示之形態中，與絕緣性基板121相對向之面係由銅構成。於該情形時，例如與DBC(Direct Bonding Copper)基板之情形相同，可將佈線層122直接接合於絕緣性基板121。複合材料之層結構既可為雙層結構，亦可為4層以上之層結構。於複合材料為3層以上之情形時，構成各層之材料亦可不同。

作為構成佈線層122之含銅材料的複合材料之一例係圖3所示之中間層122a由鉬(Mo)構成之Cu-Mo-Cu複合材料。

又，作為銅與其他金屬之合金的含銅材料之例係其他金屬為鎢(W)之Cu-W合金。

佈線基板12中，亦可於絕緣性基板121之與表面121a相反之側之背面(第2主表面)121b上設有散熱層123。散熱層123可以覆蓋整個背面121b之方式而形成。與佈線層122之情形相同，散熱層123可經由焊料等而與背面121b接合或者直接與背面121b接合。於如此般包括散熱層123之情形時，散熱層123可包括含有銅之含銅材料(第2含有材料)。構成散熱層123之含銅材料之熱膨脹係數係大於絕緣性基板121之熱膨脹係數且為散熱片16之熱膨脹係數以下。

如下所述，作為一例，於散熱片16包含銅之情形時，構 成散熱層123之含銅材料可為銅。然而，構成散熱層123之含銅材料之組成亦可與構成佈線層122之含銅材料之組成相同。即，構成散熱層123之含銅材料亦可為作為構成佈線層122之含銅材料而例示之複合材料或合金。於構成散熱層123之含銅材料與構成佈線層122之含銅材料相同之情形時，由於難以於絕緣性基板121之正面121a側與背面121b側之間產生熱膨脹係數差，故於佈線基板12上不易產生翹曲。

散熱片16為金屬板。散熱片16包括熱導率較高之金屬即可。構成散熱片16之金屬之一例為銅。散熱片16之俯視形狀包括長方形及正方形。於一實施形態中，散熱片16係經由焊錫18C而接合於佈線基板12之與正面相反之側。焊錫18C之一例為Sn-Ag-Cu系焊錫。於佈線基板12之背面形成有散熱層123之情形時，如圖1所示，可於絕緣性基板121與散熱片16之間自絕緣性基板121側起依序夾著散熱層123及層狀焊錫18C。

如圖1所示，半導體裝置10可包括包圍散熱片16之框狀樹脂殼體24。樹脂殼體24之材料之例為聚對苯二甲酸丁二酯(PolyButylene Terephthalate，PBT)或聚苯硫醚樹脂(PolyPhenylene Sulfide，PPS)等工程塑膠。該樹脂殼體24係固定於散熱片16之外緣部。樹脂殼體24之內側例如可注入聚矽氧凝膠26，以緩和應力。進而，如圖1所示，埋設於聚矽氧凝膠26內之佈線基板12及半導體元件14等可藉由環氧樹脂等熱塑性樹脂28進而氣密性地密封。再者，亦可 不經由聚矽氧凝膠26而直接藉由熱塑性樹脂28來埋設佈線基板12及半導體元件14等。

於上述構成之半導體裝置10中，由於半導體元件14之熱膨脹係數與佈線層122之熱膨脹係數之差減小，故可提高半導體裝置10之可靠性。關於該方面係一面與佈線基板之佈線為包含銅之銅佈線之情形進行比較一面進行說明。

用於半導體裝置中之半導體元件之構成材料之例為SiC、GaN或Si。SiC之熱膨脹係數約為4.2×10^-6/K，GaN之熱膨脹係數約為5.6×10^-6/K，Si之熱膨脹係數約為3.0×10^-6/K。另一方面，銅之熱膨脹係數約為16.8×10^-6/K。因此，假如佈線為銅佈線之情形時，半導體元件與佈線之間會產生較大之熱膨脹係數差。於該情形時，當驅動半導體裝置而產生熱時，因上述熱膨脹係數差而會向半導體元件與佈線之間之接合部分(例如焊錫部分)施加較大之應力，從而，存在該接合部分產生裂痕等而使半導體裝置損壞之虞。

與此相對，於半導體裝置10中，由於佈線層122包括含有銅及熱膨脹係數小於銅之其他金屬之含銅材料，故佈線層122之熱膨脹係數小於銅。因此，半導體元件14與佈線層122之間之熱膨脹係數差降低。當如此降低熱膨脹係數差時，即便驅動半導體裝置10而產生有熱，但由於作用於半導體元件14與佈線層122之接合部分的應力進一步減小，故於上述接合部分亦不易產生裂痕等。因此，半導體裝置10之可靠性提高。換言之，藉由使用包括佈線層122之佈線基板12，可實現半導體裝置10之較高之可靠性。

又，含銅材料中所包含之銅之熱導率係高於例如鎢或鉬之熱導率。因此，佈線層122藉由利用含銅材料構成，使得散熱性亦優於例如僅由鎢或鉬構成佈線層之情形。因此，更易降低因上述熱膨脹係數差所引起之應力。

於如圖3所示般佈線層122藉由具有積層結構之複合材料而構成之情形時，含銅材料之製作較為容易。如圖3所示，於3層結構中之表層122b係由銅構成之情形時，可與DBC基板相同地將佈線層122固定於絕緣性基板121上。

如上所述，構成佈線層122之含銅材料可為銅與熱膨脹係數小於銅之其他金屬之合金(例如Cu-W合金)。於為此種合金之情形時，可藉由調整其他金屬之含率而調整熱膨脹係數。因此，含銅材料之熱膨脹係數之調整較為容易。

進而，於佈線基板12包括散熱層123，並且該散熱層123包括具有大於絕緣性基板121之熱膨脹係數且為散熱片16之熱膨脹係數以下之熱膨脹係數之含銅材料的形態中，散熱層123與散熱片16之間之熱膨脹係數差亦減小。其結果為，即便半導體裝置10因驅動而帶有熱，於散熱層123與散熱片16之間之接合部分(於圖1中為層狀焊錫18C部分)亦不易產生裂痕等損壞。因此，使半導體裝置10之可靠性進一步提高。進而，與佈線層122之情形相同，藉由利用如含銅材料般含有銅之材料來構成散熱層123，使得散熱性亦優於例如僅由鎢或鉬構成散熱層之情形。因此，更易降低上述熱膨脹係數差所引起之應力。

於採用SiC或GaN等寬帶隙半導體作為構成半導體元件 14之半導體之情形時，與半導體元件包含Si之情形相比，半導體元件14可於更高之溫度下驅動。於該構成中，當驅動半導體裝置10時，容易變為高溫。因此，自提高半導體裝置10之可靠性之觀點考慮，藉由如上述般使佈線層122之材料為含銅材料而降低熱膨脹係數差係尤其有效。

以上，已對本發明之實施形態進行了說明，但本發明並非由上述實施形態限定者，可於不脫離發明主旨之範圍內進行各種變更。例如，作為半導體模組之半導體裝置亦可為包括佈線基板12及半導體元件14之單元。

10‧‧‧半導體裝置

12‧‧‧佈線基板

14‧‧‧半導體元件

16‧‧‧散熱片

18A‧‧‧焊錫

18B‧‧‧焊錫

18C‧‧‧焊錫

20‧‧‧接線

22A‧‧‧端子

22B‧‧‧端子

24‧‧‧樹脂殼體

26‧‧‧聚矽氧凝膠

28‧‧‧熱塑性樹脂

121‧‧‧絕緣性基板

121a‧‧‧正面(第1主表面)

121b‧‧‧背面(第2主表面)

122‧‧‧佈線層

122a‧‧‧中間層

122b‧‧‧表層

122A‧‧‧佈線

122B‧‧‧佈線

123‧‧‧散熱層

圖1係表示一實施形態之半導體裝置之概略構成之剖面圖。

圖2係圖1所示之半導體裝置中所包括之佈線基板之一例之立體圖。

圖3係表示圖2所示之佈線基板中所包括之佈線層之構成之一例之示意圖。

10‧‧‧半導體裝置

12‧‧‧佈線基板

14‧‧‧半導體元件

16‧‧‧散熱片

18A‧‧‧焊錫

18B‧‧‧焊錫

18C‧‧‧焊錫

20‧‧‧接線

22A‧‧‧端子

22B‧‧‧端子

24‧‧‧樹脂殼體

26‧‧‧聚矽氧凝膠

28‧‧‧熱塑性樹脂

121‧‧‧絕緣性基板

121a‧‧‧正面(第1主表面)

121b‧‧‧背面(第2主表面)

122‧‧‧佈線層

122A‧‧‧佈線

122B‧‧‧佈線

123‧‧‧散熱層

Claims (8)

1. 一種半導體裝置，其包括：絕緣性基板；佈線層，其形成於上述絕緣性基板之第1主表面上；及半導體元件，其搭載於上述佈線層上；且上述佈線層包括含有銅及熱膨脹係數小於銅之金屬之第1含銅材料，上述第1含銅材料之熱膨脹係數小於銅之熱膨脹係數。
2. 如請求項1之半導體裝置，其中上述第1含銅材料為具有積層有由銅構成之第1層及由上述金屬構成之第2層之積層結構的複合材料、或者為包含銅及上述金屬的合金。
3. 如請求項2之半導體裝置，其中上述複合材料係依序積層上述第1層、上述第2層及上述第1層而構成。
4. 如請求項1至3中任一項之半導體裝置，其中上述金屬為鉬或鎢。
5. 如請求項1至4中任一項之半導體裝置，其包括：散熱層，其形成於上述絕緣性基板之與上述第1主表面相反之側的第2主表面上；及散熱片，其經由上述散熱層而與上述絕緣性基板接合；且上述散熱層包括含有銅之第2含銅材料，上述第2含銅材料之熱膨脹係數係大於上述絕緣性基板之熱膨脹係數且為上述散熱片之熱膨脹係數以下。
6. 如請求項5之半導體裝置，其中上述第2含銅材料之組成係與上述第1含銅材料之組成相同。
7. 如請求項1至6中任一項之半導體裝置，其中構成上述半導體元件之半導體為寬帶隙半導體。
8. 一種佈線基板，其係搭載半導體元件者，且其包括：絕緣性基板；及佈線層，其形成於上述絕緣性基板之主表面上，並搭載上述半導體元件；且上述佈線層包括含有銅及熱膨脹係數小於銅之金屬之含銅材料，上述含銅材料之熱膨脹係數小於銅之熱膨脹係數。