CN103534801A - 半导体装置及布线基板 - Google Patents

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Abstract

本发明的一实施方式的半导体装置(10)包括：绝缘性基板(121)；布线层(122)，其形成于绝缘性基板的第一主面(121a)上；以及半导体元件(14)，其搭载于布线层上。在该半导体装置中，布线层由包含铜及热膨胀系数小于铜的金属的第一含铜材料构成，且第一含铜材料的热膨胀系数小于铜的热膨胀系数。

Description

半导体装置及布线基板
技术领域
本发明涉及一种半导体装置及布线基板。
背景技术
作为半导体装置的一例，已知包括布线基板及安装于布线基板上的半导体元件的半导体装置(参照非专利文献1)。作为上述布线基板，采用具有铜布线及由铜构成的散热层夹入陶瓷基板的夹层结构的DBC(直接覆铜，Direct Bonding Copper)基板。半导体元件通过焊接而固定于布线基板的铜布线上，半导体元件的上部(与绝缘性基板相反一侧)的电极与铜布线利用铝线等而电连接。在上述铜布线上焊接有用于外部连接的端子，通过该端子来驱动半导体装置。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：岩室宪幸等著，「SiC/GaNパワーデバイスの製造プロセスと放熱·冷却技術」，第一版，株式会社技術情報協会，2010年2月26日，p120
发明内容
发明要解决的问题
然而，当半导体装置被驱动时，半导体装置因驱动而带有热量。此时，因构成半导体元件的半导体与铜的热膨胀系数的差，在半导体元件与布线的接合部产生热应变或应力。其结果，存在在上述接合部产生裂痕等而使半导体装置损坏的顾虑。因此，要求提高半导体装置的可靠性。
因此，本发明的目的在于，提供一种可实现高的可靠性的半导体装置及布线基板。
为解决课题的手段
本发明的一个方面的半导体装置包括：绝缘性基板；布线层，其形成于绝缘性基板的第一主面上；及半导体元件，其搭载于布线层上。上述布线层由含有铜及热膨胀系数小于铜的金属的第一含铜材料构成，且第一含铜材料的热膨胀系数小于铜的热膨胀系数。
在该构成中，布线层由具有小于铜的热膨胀系数的热膨胀系数的第一含铜材料构成。因此，与例如布线层由铜构成的情况相比，半导体元件与布线层的热膨胀系数差更小。在该情况下，即便因半导体装置的驱动而产生热量，在半导体元件与布线层的接合部所产生的热应变或热应力也会降低。其结果，由于可稳定地驱动半导体装置，因此半导体装置的可靠性提高。
在一实施方式中，上述第一含铜材料可为具有由铜构成的第一层及由上述金属构成的第二层层叠的叠层结构的复合材料。此外，上述第一含铜材料可为包含铜及上述金属的合金。在第一含铜材料为上述复合材料的情况下，容易制作第一含铜材料。此外，在第一含铜材料为上述合金的情况下，更容易调整第一含铜材料的热膨胀系数。
在第一含铜材料为复合材料的情况下，该复合材料可构成为依次层叠第一层、第二层及第3层。在该情况下，因为以由铜构成的第一层夹着第二层，所以布线层的表面由铜构成。其结果，与布线层由铜构成的情况相同，可将布线层与绝缘性基板接合。
在一实施方式中，上述金属可为钼或钨。
在一实施方式中，半导体装置可包括：散热层，其形成于绝缘性基板的与第一主面相反一侧的第二主面上；及散热片，其经由散热层而与绝缘性基板接合。在该方式中，散热层可由含有铜的第二含铜材料构成。而且，第二含铜材料的热膨胀系数可大于绝缘性基板的热膨胀系数且为散热片的热膨胀系数以下。
由于绝缘性基板与散热片经由由上述第二含铜材料构成的散热层而接合，所以可缓和绝缘性基板与散热片之间的热膨胀性系数差。其结果，绝缘性基板与散热片之间的热应力等降低。因此，半导体装置的可靠性进一步提高。
在一实施方式中，第二含铜材料的组成可与第一含铜材料的组成相同。在该情况下，由于在绝缘性基板的第一主面及第二主面设置相同材料，所以绝缘性基板难以产生翘曲。
在一实施方式中，构成半导体元件的半导体可为宽带隙半导体。包括使用了宽带隙半导体的半导体元件的半导体装置可在更高的温度下驱动。因此，通过使用上述第一含铜材料，可进一步提高半导体装置的可靠性。
本发明的另一方面涉及搭载半导体元件的布线基板。该布线基板包括：绝缘性基板；及布线层，其形成于绝缘性基板的主面上，且搭载半导体元件。上述布线层由含有铜及热膨胀系数小于铜的金属的含铜材料构成，且含铜材料的热膨胀系数小于铜的热膨胀系数。
在该构成中，由于布线层由热膨胀系数小于铜的含铜材料构成，所以半导体元件与布线层的热膨胀系数差小于例如布线层由铜构成的情况。因此，即便因半导体元件的驱动而产生热量，半导体元件与布线层之间产生的热应变或热应力也会降低。其结果，由于可稳定地驱动搭载于布线基板上的半导体元件，所以包括布线基板及半导体元件的装置的可靠性提高。
发明效果
根据本发明，可提供一种能实现较高的可靠性的半导体装置及搭载半导体元件的布线基板。
附图说明
图1是表示一实施方式的半导体装置的概略构成的剖视图。
图2是图1所示的半导体装置中所包括的布线基板的一例的立体图。
图3是表示图2所示的布线基板中所包括的布线层的构成的一例的示意图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。在附图的说明中对同一元素附加同一标号，并省略重复的说明。附图的尺寸比率并非一定与所说明的内容一致。在说明中，表示「上」、「下」等方向的用语是基于在附图中示出的状态的便于说明的用语。
图1是表示一实施方式的半导体装置的概略构成的剖视图。图2是图1所示的半导体装置所包括的布线基板的立体图。半导体装置10为包括布线基板12、搭载于布线基板12上的半导体元件14及相对于布线基板12而配置于与半导体元件14相反一侧的散热片16的半导体模块。半导体装置10例如可为用于电源等中的电力用半导体装置。
半导体元件14的例子包括绝缘型场效应晶体管(Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)、接合型场效应晶体管及双极晶体管。MOSFET的例子可包括纵向式MOSFET及横向式MOSFET。构成半导体元件14的半导体的例子包括设为SiC及GaN的宽带隙半导体及Si。
如图1及图2所示，布线基板12包括：绝缘性基板121；及布线层122，其设置于绝缘性基板121的表面(第一主面)121a上。布线层122可经由焊料等或者直接与绝缘性基板121接合。绝缘性基板121的俯视形状的例子可包括长方形及正方形。在一实施方式中，绝缘性基板121的材料的一例为氧化铝(热膨胀系数：约7.0×10-6/K)。布线层122包括相互绝缘的多个导电性的布线区域(以下，简称为布线)122A、122B。多个布线122A、122B以特定的布线图案而配置。在图1中例示有两个布线122A、122B，但布线并不限定于两个。
在构成布线层122的一部分的布线122A上搭载半导体元件14。半导体元件14焊接于布线122A上。即，在半导体元件14与布线层122之间介有作为粘结层的层状的焊锡18A。焊锡18A的一例为Sn-Ag-Cu类焊锡。在半导体元件14为纵向式MOSFET的情况下，半导体元件14的下部为漏极电极。因此，通过利用焊锡18A将半导体元件14固定于布线122A上，布线122A与半导体元件14进行电连接。设置于半导体元件14的上部的电极经由铝线等引线20而与布线122B进行电连接。在半导体元件14的下部不具有电极的情况下，可将除了与布线122B连接的电极之外设置于半导体元件14的上部的电极与布线122A进行引线接合，从而使半导体元件14与布线122A进行电连接。
通过将端子22A、22B分别利用焊锡18B等固定于布线122A、122B上，可利用端子22A、22B使半导体元件14连接至外部。焊锡18B的一例为Sn-Ag-Cu类焊锡。在这里，例示半导体元件14与布线层122的连接关系的一例，但只要以半导体元件14利用连接于布线层122的端子22A、22B等而动作的方式使半导体元件14与布线层122进行电连接即可。
布线层122由含有铜且热膨胀系数小于铜的含铜材料(第一含铜材料)构成。在一实施方式中，含铜材料的热膨胀系数可小于铜的热膨胀系数且为构成半导体元件14的半导体的热膨胀系数以上。含铜材料包含铜(热膨胀系数：约16.8×10-6/K)及热膨胀系数小于铜的其它金属。这样的含铜材料可为复合材料或合金。含铜材料中所包含的与铜不同的其它金属的例子包括钼(热膨胀系数：约5.1×10-6/K)及钨(热膨胀系数：约4.5×10-6/K)。只要热膨胀系数小于铜，则含铜材料可包含一种与铜不同的上述其它金属。因此，含铜材料也可包含2种以上与铜不同的金属。
在含铜材料为铜与热膨胀系数小于铜的其它金属的复合材料的情况下，该复合材料可具有层叠有由铜构成的层(第一层)及由上述其它金属构成的层(第二层)的叠层结构。
图3是表示含铜材料为复合材料的情况时的布线层的一例的示意图。在图3所示的方式中，布线层122由3层结构的复合材料而构成，在该3层结构中，由热膨胀系数小于铜的金属构成的中间层(第二层)122a由以铜构成的表层(第一层)122b、122b夹着。在图3所示的方式中，与绝缘性基板121相对的面由铜构成。在该情况下，例如与DBC(Direct Bonding Copper)基板的情况相同，可将布线层122直接接合于绝缘性基板121。复合材料的层结构既可以是双层结构，也可以是4层以上的层结构。在复合材料为3层以上的情况下，构成各层的材料也可不同。
作为构成布线层122的含铜材料的复合材料的一例是图3所示的中间层122a由钼(Mo)构成的Cu-Mo-Cu复合材料。
此外，作为铜与其它金属的合金的含铜材料的例子是其它金属为钨(W)的Cu-W合金。
布线基板12也可以在绝缘性基板121的与表面121a相反一侧的背面(第二主面)121b上设有散热层123。散热层123能够以覆盖整个背面121b的方式而形成。与布线层122的情况相同，散热层123可经由焊料等或者直接与背面121b接合。在这样具有散热层123的情况下，散热层123可由含有铜的含铜材料(第二含有材料)构成。构成散热层123的含铜材料的热膨胀系数大于绝缘性基板121的热膨胀系数且为散热片16的热膨胀系数以下。
如后所述，作为一例，在散热片16由铜构成的情况下，构成散热层123的含铜材料可为铜。然而，构成散热层123的含铜材料的组成也可与构成布线层122的含铜材料的组成相同。即，构成散热层123的含铜材料也可为作为构成布线层122的含铜材料而例示的复合材料或合金。在构成散热层123的含铜材料与构成布线层122的含铜材料相同的情况下，由于在绝缘性基板121的表面121a侧与背面121b侧之间难以产生热膨胀系数差，所以在布线基板12上难以产生翘曲。
散热片16为金属板。散热片16由热导率高的金属构成即可。构成散热片16的金属的一例为铜。散热片16的俯视形状包括长方形及正方形。在一实施方式中，散热片16经由焊锡18C而接合于布线基板12的与表面相反一侧。焊锡18C的一例为Sn-Ag-Cu类焊锡。在布线基板12的背面形成有散热层123的情况下，如图1所示，可在绝缘性基板121与散热片16之间从绝缘性基板121侧起依次夹着散热层123及层状焊锡18C。
如图1所示，半导体装置10可包括包围散热片16的框状的树脂壳体24。树脂壳体24的材料的例子为聚对苯二甲酸丁二酯(PolyButylene Terephthalate，PBT)或聚苯硫醚树脂(PolyPhenyleneSulfide，PPS)等工程塑料。该树脂壳体24固定于散热片16的外缘部。在树脂壳体24的内侧例如可注入硅凝胶26，以缓和应力。进而，如图1所示，埋设于硅凝胶26内的布线基板12及半导体元件14等可通过环氧树脂等热塑性树脂28进而气密性地密封。另外，也可不经由硅凝胶26而直接通过热塑性树脂28来埋设布线基板12及半导体元件14等。
在上述构成的半导体装置10中，由于半导体元件14的热膨胀系数与布线层122的热膨胀系数的差减小，所以可提高半导体装置10的可靠性。关于这一点，与布线基板的布线为由铜构成的铜布线的情况比较进行说明。
用于半导体装置的半导体元件的构成材料的例子为SiC、GaN或Si。SiC的热膨胀系数约为4.2×10-6/K，GaN的热膨胀系数约为5.6×10-6/K，Si的热膨胀系数约为3.0×10-6/K。另一方面，铜的热膨胀系数约为16.8×10-6/K。因此，假如布线为铜布线的情况下，在半导体元件与布线之间会产生较大的热膨胀系数差。在该情况下，当驱动半导体装置而产生热量时，因上述热膨胀系数差而会向半导体元件与布线之间的接合部分(例如焊锡部分)施加较大的应力，存在该接合部分产生裂痕等而使半导体装置损坏的顾虑。
与此相对，在半导体装置10中，由于布线层122由含有铜及热膨胀系数小于铜的其它金属的含铜材料构成，所以布线层122的热膨胀系数小于铜。因此，半导体元件14与布线层122之间的热膨胀系数差降低。若这样热膨胀系数差降低，则即便驱动半导体装置10而产生了热量，也因作用于半导体元件14与布线层122的接合部分的应力更加减小，所以在上述接合部分难以产生裂痕等。因此，半导体装置10的可靠性提高。换言之，通过使用包括布线层122的布线基板12，可实现半导体装置10的高的可靠性。
此外，在含铜材料中所包含的铜的热导率高于例如钨或钼的热导率。因此，通过布线层122由含铜材料构成，使得散热性优于例如仅由钨或钼构成布线层的情况。因此，更容易降低因上述热膨胀系数差所引起的应力。
在布线层122如图3所示那样由具有叠层结构的复合材料构成的情况下，含铜材料的制作较为容易。如图3所示，在将3层结构中的表层122b由铜构成的情况下，可与DBC基板相同地将布线层122固定于绝缘性基板121上。
如上所述，构成布线层122的含铜材料可为铜与热膨胀系数小于铜的其它金属的合金(例如Cu-W合金)。在为这样的合金的情况下，可通过调整其它金属的含量来调整热膨胀系数。因此，含铜材料的热膨胀系数的调整较为容易。
进而，在布线基板12包括散热层123，并且该散热层123由具有大于绝缘性基板121的热膨胀系数且为散热片16的热膨胀系数以下的热膨胀系数的含铜材料构成的方式中，散热层123与散热片16之间的热膨胀系数差也会减小。其结果，即便半导体装置10因驱动而带有热量，在散热层123与散热片16之间的接合部分(在图1中为层状的焊锡18C部分)也不易产生裂痕等损坏。因此，半导体装置10的可靠性进一步提高。进而，与布线层122的情况相同，通过利用如含铜材料那样含有铜的材料来构成散热层123，使得散热性也优于例如仅由钨或钼构成散热层的情况。因此，更容易降低上述热膨胀系数差所引起的应力。
在作为构成半导体元件14的半导体而采用SiC或GaN等宽带隙半导体的情况下，与半导体元件由Si构成的情况相比，半导体元件14可在更高的温度下驱动。在该构成中，当驱动了半导体装置10时，容易成为高温。因此，从提高半导体装置10的可靠性的观点考虑，通过如上述那样使布线层122的材料作为含铜材料而降低热膨胀系数差尤其有效。
以上，说明了本发明的实施方式，但本发明并非由上述实施方式所限定，可在不脱离发明的主旨的范围内进行各种变更。例如，作为半导体模块的半导体装置也可以是由布线基板12及半导体元件14构成的单元。
标号说明
10…半导体装置、12…布线基板、14…半导体元件、16…散热片、121…绝缘性基板、121a…表面(第一主面)、121b…背面(第二主面)、122…布线层、123…散热层。

Claims (8)

1.一种半导体装置，包括：
绝缘性基板；
布线层，形成于所述绝缘性基板的第一主面上；以及
半导体元件，搭载于所述布线层上；
所述布线层由包含铜及热膨胀系数小于铜的金属的第一含铜材料构成，
所述第一含铜材料的热膨胀系数小于铜的热膨胀系数。
2.如权利要求1所述的半导体装置，其中，
所述第一含铜材料为具有叠层结构的复合材料、或者为包含铜及所述金属的合金，该叠层结构层叠有由铜构成的第一层及由所述金属构成的第二层。
3.如权利要求2所述的半导体装置，其中，
所述复合材料构成为所述第一层、所述第二层及所述第一层依次层叠。
4.如权利要求1至3的任一项所述的半导体装置，其中，
所述金属为钼或钨。
5.如权利要求1至4的任一项所述的半导体装置，包括：
散热层，形成于所述绝缘性基板的与所述第一主面相反一侧的第二主面上；以及
散热片，经由所述散热层与所述绝缘性基板接合，
所述散热层由含有铜的第二含铜材料构成，
所述第二含铜材料的热膨胀系数大于所述绝缘性基板的热膨胀系数且为所述散热片的热膨胀系数以下。
6.如权利要求5所述的半导体装置，其中，
所述第二含铜材料的组成与所述第一含铜材料的组成相同。
7.如权利要求1至6的任一项所述的半导体装置，其中，
构成所述半导体元件的半导体为宽带隙半导体。
8.一种布线基板，搭载有半导体元件，所述布线基板包括：
绝缘性基板；以及
布线层，形成于所述绝缘性基板的主面上，搭载有所述半导体元件，
所述布线层由含有铜及热膨胀系数小于铜的金属的含铜材料构成，
所述含铜材料的热膨胀系数小于铜的热膨胀系数。
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