JP2015053442A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、半導体装置に関するものであり、特に半導体素子を搭載したモジュールの構造に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a structure of a module on which a semiconductor element is mounted.
一般的な半導体装置は、放熱板上に、表面に金属製の配線パターンを有する絶縁層を接合し、配線パターン上に半導体素子の裏面をはんだ付け搭載した構造となっている。 A general semiconductor device has a structure in which an insulating layer having a metal wiring pattern is bonded on a heat sink, and the back surface of a semiconductor element is soldered and mounted on the wiring pattern.
近年、半導体装置の高温動作が望まれる一方で、はんだの融点は200℃〜300℃であり、半導体素子を搭載する際の接着剤にはんだを用いた場合は200℃以上の高温動作が難しいため、接着剤の高温耐熱性が要求されていた。 In recent years, high temperature operation of semiconductor devices is desired, but the melting point of solder is 200 ° C. to 300 ° C., and it is difficult to operate at 200 ° C. or higher when solder is used as an adhesive for mounting semiconductor elements. The high temperature heat resistance of the adhesive was required.
そこで、耐熱性が300℃以上と高温であるAgペーストなどの熱硬化性樹脂を用いた樹脂系導電性接着剤を、配線パターン上に設けられた合金材からなるダイパッドに半導体素子を搭載する際の接着剤として用いる方法が開示されている(例えば、特許文献1参照)。 Therefore, when a semiconductor element is mounted on a die pad made of an alloy material provided on a wiring pattern, a resin-based conductive adhesive using a thermosetting resin such as Ag paste having a heat resistance of 300 ° C. or higher is high. A method of using it as an adhesive is disclosed (for example, see Patent Document 1).
半導体装置では、半導体素子の裏面側の電位を制御するため、従来、半導体素子の裏面全面が樹脂系導電性接着剤などの接着剤によって配線パターンに接着される。しかしながら、樹脂系導電性接着剤と合金材など金属とは、使用温度範囲において線膨張係数が異なる。そのため、高温状態と低温状態とが繰り返されるヒートサイクル時に、樹脂系導電性接着剤と金属との界面に発生する応力が大きくなる。その結果、樹脂系導電性接着剤が金属から剥がれやすくなるなど、ヒートサイクルに対する信頼性が低いという問題があった。 In a semiconductor device, in order to control the potential on the back side of a semiconductor element, the entire back surface of the semiconductor element is conventionally bonded to a wiring pattern with an adhesive such as a resin-based conductive adhesive. However, the resin-based conductive adhesive and the metal such as an alloy material have different linear expansion coefficients in the operating temperature range. Therefore, the stress generated at the interface between the resin-based conductive adhesive and the metal increases during the heat cycle in which the high temperature state and the low temperature state are repeated. As a result, there is a problem that the reliability with respect to the heat cycle is low such that the resin-based conductive adhesive is easily peeled off from the metal.
この発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、ヒートサイクルに対する信頼性が高い半導体装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a semiconductor device having high reliability with respect to heat cycle.
この発明に係る半導体装置は、樹脂系材料から成る絶縁層と、絶縁層の表面に形成され、孔部を有する金属製の配線パターンと、樹脂系導電性接着剤によって配線パターンと電気的に接続された裏面が、孔部に充填された樹脂系導電性接着剤によって絶縁層の表面に接着された半導体素子と、を備えたことを特徴とする。 A semiconductor device according to the present invention is electrically connected to a wiring pattern by an insulating layer made of a resin-based material, a metal wiring pattern formed on the surface of the insulating layer and having a hole, and a resin-based conductive adhesive. And a semiconductor element bonded to the surface of the insulating layer with a resin-based conductive adhesive filled in the hole.
この発明に係る半導体装置によれば、樹脂系材料から成る絶縁層と、絶縁層の表面に形成され、孔部を有する金属製の配線パターンと、樹脂系導電性接着剤によって配線パターンと電気的に接続された裏面が、孔部に充填された樹脂系導電性接着剤によって絶縁層の表面に接着された半導体素子と、を備えたため、樹脂系材料から成る絶縁層と樹脂系導電性接着剤との線膨張係数を使用温度範囲において近くできるので、ヒートサイクル時に孔部底面の接着界面に発生する応力が低くなり、樹脂系導電性接着剤と絶縁層との接着部が剥がれにくく、ヒートサイクルに対する信頼性を高くすることができる。 According to the semiconductor device of the present invention, an insulating layer made of a resin-based material, a metal wiring pattern formed on the surface of the insulating layer and having a hole, and a wiring pattern and an electric circuit by a resin-based conductive adhesive. And a semiconductor element bonded to the surface of the insulating layer with a resin-based conductive adhesive filled in the hole, so that the insulating layer made of a resin-based material and the resin-based conductive adhesive Because the thermal expansion coefficient can be close to the operating temperature range, the stress generated at the adhesive interface at the bottom of the hole during heat cycle is reduced, and the adhesive part between the resin-based conductive adhesive and the insulating layer is less likely to peel off. Can be made more reliable.
実施の形態1.
まず、この発明の実施の形態1における半導体装置の構成を説明する。図1は、この発明の実施の形態1における半導体装置を示す断面図である。図1に示すように、本実施の形態に係る半導体装置は、放熱板6の表面に設けられた絶縁層5と、絶縁層5の表面に設けられた配線パターン4と、配線パターン4と絶縁層5との表面に樹脂系導電性接着剤7を介して裏面が接着されることによって搭載された半導体素子2と、を備える。さらに、パワーリード9と制御用リード10を備えたインサートケース8が半導体素子2を取り囲み、半導体素子2の表面側に設けられた表面電極と制御用リード10とが、また、配線パターン4とパワーリード9とが、ボンディングワイヤ11によってそれぞれ電気的に接続されている。尚、配線パターン4は樹脂系導電性接着剤7によって半導体素子2の裏面側に設けられた裏面電極と電気的に接続されている。つまり、半導体素子2の裏面は樹脂系導電性接着剤7によって配線パターン4と電気的に接続されている。
First, the configuration of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described. 1 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the semiconductor device according to the present embodiment includes an
図1で示される半導体装置は、放熱板6が露出し、インサートケース8によって囲まれた内部はポッティング樹脂などの封止用樹脂12によって封止されている。本実施の形態では、放熱板6はアルミからなるとするが、銅等その他の金属であっても良い。
In the semiconductor device shown in FIG. 1, the
本実施の形態における半導体装置の半導体素子2は、裏面が配線パターン4と絶縁層5との双方に接着される。つまり、半導体素子2の裏面の面積は、配線パターン4との接着面積より大きく、樹脂間接着領域40に設けられた樹脂系導電性接着剤7によって直接絶縁層5と接着される。図1において、樹脂間接着領域40は点線で囲まれた領域である。図1のように、樹脂間接着領域40は、断面視において半導体素子2の裏面の両端部に設けられる。
The back surface of the
本実施の形態では、絶縁層5は樹脂系材料からなり、樹脂成分はエポキシを主成分とする。樹脂成分としては、エポキシ以外にもポリイミド、ポリウレタン、シリコーン、フェノール等を用いても良い。また、フィラーとして、例えばSiO2(Silicon dioxide)、BN(Boron Nitride)、AlN(Aluminum Nitride)などの化合物フィラーを含有してもよい。このような、化合物フィラーが充填された絶縁層5は高い放熱特性を示す。
In the present embodiment, the
また、本実施の形態では、樹脂系導電性接着剤7として、エポキシなどの樹脂成分と、銀フィラーなどの導電性成分とが一体となったAgペーストが用いられる。樹脂成分としては、エポキシ以外にもポリイミド、ポリウレタン、シリコーン、フェノール等が挙げられる。導電性成分としては、銀成分の他に、銅、カーボン、金等の成分が挙げられる。導電性成分としてAgを用いると、熱伝導性が優れ、低コストである樹脂系導電性接着剤7が得られる。
In the present embodiment, an Ag paste in which a resin component such as epoxy and a conductive component such as silver filler are integrated is used as the resin-based
樹脂系導電性接着剤7は、半導体素子2の裏面に接着されるだけでなく、図1のように、半導体素子2の側面に回り込んでフィレット(裾拡がり部)を形成している。このように、樹脂系導電性接着剤7が半導体素子2の側面にフィレットを形成することによって樹脂系導電性接着剤7と半導体素子2との接着面積が大きくなるので、半導体素子2の密着性が向上される。
The resin-based
図2に、本実施の形態に係る半導体装置の上面図を示す。また、図3に、本実施の形態に係る半導体装置の、半導体素子2を搭載する前段階における上面図を示す。
FIG. 2 shows a top view of the semiconductor device according to the present embodiment. FIG. 3 shows a top view of the semiconductor device according to the present embodiment before the
図2のように、2つの半導体素子2が搭載されるとする。図3の上面視において、半導体素子2が搭載される前段階で、配線パターン4に、半導体素子2が配置される領域の一部を含めるように孔部41が形成されている。孔部41は配線パターン4が形成される際に、パターニング及びエッチングによって形成される。配線パターン4は、例えば銅などの金属で構成される。
Assume that two
図3において、孔部41のうち、半導体素子2が搭載される樹脂間接着領域40は点線で囲まれる領域となる。このように、孔部41は半導体素子2が搭載される樹脂間接着領域40よりも外側に大きく形成されている。
In FIG. 3, the
また、孔部41は、搭載される半導体素子2の角部と対向する位置に、L字型の形状で4箇所設けられている。
Further, four
図3の上面視において、孔部41は配線パターン4を貫通して設けられるため、孔部41の内部には絶縁層5が露出しており、孔部41に樹脂系導電性接着剤7を充填して半導体素子2を搭載すると、樹脂間接着領域40内の樹脂系導電性接着剤7によって半導体素子2の裏面と絶縁層5の表面とが接着される。つまり、半導体素子2は配線パターン4の表面上と、配線パターン4の孔部41を介して絶縁層5の表面上と、に配置されて、樹脂系導電性接着剤7によって接着される。
In the top view of FIG. 3, since the
図3の配線パターン4上の半導体素子2の搭載位置と孔部41とに樹脂系導電性接着剤7を塗布し、半導体素子2が接着され、アルミワイヤなどのボンディングワイヤ11によって各電気的接続が施された構成が、図2で示される本実施の形態に係る半導体装置の上面視に相当する。
A resin
次に、本実施の形態における半導体装置の製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing a semiconductor device in the present embodiment will be described.
放熱板6と接合した配線パターン4上と配線パターン4の孔部41内の絶縁層5上とに、樹脂系導電性接着剤7であるAgペーストをディスペンサ(液体定量吐出装置)やスタンプ方式により塗布する。次に、半導体素子2を、塗布したAgペースト上に載せ(マウント工程)、一定荷重をかけてAgペーストを広げる。その後、100℃以上の温度でAgペーストを熱硬化させて半導体素子2を接着する。さらに、インサートケース8を接着剤で取り付け、各ボンディングワイヤ11をワイヤボンドする。最後に、インサートケース8内にポッティング樹脂である封止樹脂12を塗布し、熱硬化させることで封止が完了し、図1及び図2に示す本実施の形態に係る半導体装置が得られる。
On the
本実施の形態に係る半導体装置によれば、半導体素子2が樹脂系導電性接着剤7によって樹脂系材料からなる絶縁層5と接着されるため、ヒートサイクルに対する信頼性を向上することが出来る。
According to the semiconductor device according to the present embodiment, since the
ヒートサイクルに対する信頼性に関係する特性は線膨張係数であるが、導電性成分であるフィラーを含有する樹脂系導電性接着剤7と、化合物フィラーなどのフィラーが充填された樹脂系材料からなる絶縁層5とは、それぞれのフィラーの充填量によって線膨張係数を調整することができる。
The characteristic related to the reliability with respect to the heat cycle is the linear expansion coefficient, but the insulation is made of a resin-based
樹脂系導電性接着剤7と配線パターン4との線膨張係数を室温で同じにしたとしても、それぞれの線膨張係数の温度依存性が異なるため、室温以外の線膨張係数が異なる。そのため、ヒートサイクル時には樹脂系導電性接着剤7と配線パターン4との線膨張係数の異なる温度領域において、樹脂系導電性接着剤7と配線パターン4との接着界面に応力が発生し、樹脂系導電性接着剤7と配線パターン4との接着部が剥がれやすい。
Even if the linear expansion coefficients of the resin-based
つまり、従来のように半導体素子2の裏面全面が配線パターン4上に配置され、樹脂系導電性接着剤7によって、配線パターン4のみに接着されていた場合、ガラス転移点温度などの影響により樹脂系導電性接着剤7と配線パターン4の線膨張係数の温度依存性の差が大きく異なるので、ヒートサイクル時に発生する部材同士の歪が大きくなる。その結果、樹脂系導電性接着剤7に発生する応力が大きくなるため、樹脂系導電性接着剤7が配線パターン4から剥がれやすく、ヒートサイクルに対する信頼性が低い。
That is, when the entire back surface of the
一方、本実施の形態によれば、半導体素子2は、樹脂系導電性接着剤7によって樹脂系材料からなる絶縁層5と接着される。樹脂系導電性接着剤7であるAgペーストと、樹脂系の絶縁層5は、いずれも樹脂成分からなるために異なる温度においても同等の線膨張係数を得ることが出来る。そのため、樹脂系導電性接着剤7と絶縁層5とが接着された部分ではヒートサイクル時に発生する部材同士の歪が小さくなるので、ヒートサイクルに対する信頼性が向上するという効果が得られる。尚、樹脂系導電性接着剤7と絶縁層5の樹脂成分が近いと、効果はより大きくなる。
On the other hand, according to the present embodiment, the
ヒートサイクルに対する信頼性に関係する特性は、上述した線膨張係数以外にも、弾性率が関係する。 The property relating to the reliability with respect to the heat cycle is related to the elastic modulus in addition to the linear expansion coefficient described above.
例えば、フィラーの充填量によって樹脂系導電性接着剤7の室温における線膨張係数を16ppm/℃と、配線パターン4の銅の線膨張係数と同じにしたとしても、ヒートサイクル時に温度を変化させると、室温以外の温度においては線膨張係数が異なる。そのため、ヒートサイクル時に樹脂系導電性接着剤7と配線パターン4との接着界面に応力が発生する。
For example, even if the linear expansion coefficient of the resin-based
銅の弾性率が120GPaであるのに対し、樹脂系導電性接着剤7の弾性率は10〜50GPaと大きく異なる。ヒートサイクル時に発生した界面の応力を緩和するために、弾性率の小さい樹脂系導電性接着剤7は、変形することによって界面の応力を緩和しようとするが、弾性率の大きい銅は変形しにくいので、接着している樹脂系導電性接着剤7の変形を妨げる。その結果、応力が緩和されずに、配線パターン4と樹脂系導電性接着剤7との界面において剥離などが生じやすい。
Whereas the elastic modulus of copper is 120 GPa, the elastic modulus of the resin-based
ヒートサイクル時以外にも、樹脂系導電性接着剤7を熱硬化する際に、樹脂系導電性接着剤7と配線パターン4との界面に応力が発生し、残応力として存在する。この残応力についても、樹脂系導電性接着剤7が樹脂系導電性接着剤7の弾性率より高い弾性率を有する配線パターン4と接着している場合には、樹脂系導電性接着剤7に存在する残応力は解消することができず、ヒートサイクル負荷によって剥離が進行する要因となり得る。一方、本実施の形態に係る半導体装置において、樹脂系導電性接着剤7は配線パターン4よりも弾性率の小さい絶縁層5と接着しているので、絶縁層5と接着している界面で残応力を解消するための変形が生じやすいため、残応力を緩和することができ、ヒートサイクル負荷に対する耐性を向上できる。
In addition to the heat cycle, when the resin-based
本実施の形態に係る半導体装置において、樹脂系導電性接着剤7と絶縁層5とが接着されるのは、図1で示されるように半導体素子2の角部に対向する位置である。半導体素子2の接着部分において、ヒートサイクル時に発生する応力が最も高くなるのは、半導体素子2の角部である。本実施の形態では、最も応力の高くなる半導体素子2の角部に対向する位置に合わせて孔部41を設け、半導体素子2の角部を、樹脂系導電性接着剤7を介して絶縁層5に接着させる。その結果、最も密着性の低い、剥がれやすい部分の密着性を高めてヒートサイクルにおける信頼性を向上させる事ができる。
In the semiconductor device according to the present embodiment, the resin-based
また、従来の半導体装置の製造方法において、半導体素子2を配線パターン4に接着する際に一般的に行われるマウント工程では、半導体素子2に荷重を加えることで、半導体素子2の裏面に対して樹脂系導電性接着剤7の濡れ拡がりを進める。
Further, in a conventional semiconductor device manufacturing method, in a mounting process generally performed when the
このとき、半導体素子2のピックアップ位置が重心とずれていたり、半導体素子2と配線パターン4の接着面に角度が付いていたりした場合には、半導体素子2の上面全体に均等に荷重が加わらず偏りが生じる結果、半導体素子2と配線パターン4との接着面に角度が付くことがあった。
At this time, if the pickup position of the
このような場合、マウント工程後における半導体素子2と配線パターン4との間の樹脂系導電性接着剤7の厚みが不均一となり、一部薄くなる場合が生じる。従来、樹脂系導電性接着剤7は半導体素子2の裏面全体と配線パターン4とを接着しているが、これらとの線膨張係数の温度依存性が異なるという特性ミスマッチにより、ヒートサイクル負荷時に樹脂系導電性接着剤7に応力が発生する。特に、樹脂系導電性接着剤7の厚みが薄い部分では、特性ミスマッチによる応力を緩和しきれずにクラックや剥離が生じる場合があった。
In such a case, the thickness of the resin-based
従来のように、樹脂系導電性接着剤7が半導体素子2の裏面全体と配線パターン4とを接着している場合、半導体素子2の傾きによって樹脂系導電性接着剤7の厚みが最も薄くなる部分は、ヒートサイクル時に応力が特に高くなる半導体素子2の角部に対向する位置であり、当該部分で樹脂系導電性接着剤7が配線パターン4から剥がれやすかった。
When the resin-based
一方、本実施の形態に係る半導体装置は、図1及び図3に示すように、半導体素子2の中央部の裏面は樹脂系導電性接着剤7を介して配線パターン4と接着され、半導体素子2の角部の裏面は、配線パターン4に設けられた孔部41に充填された樹脂系導電性接着剤7を介して絶縁層5と接着されている。
On the other hand, in the semiconductor device according to the present embodiment, as shown in FIGS. 1 and 3, the back surface of the central portion of the
そのため、マウント時に半導体素子2と配線パターン4との接着面に角度が付くことがあっても、半導体素子2の裏面の角部は絶縁層5上に配置され、樹脂系導電性接着剤7によって絶縁層5と接着される。すなわち、従来、最も剥がれやすい部分であった半導体素子2の角部は、本実施の形態においては、樹脂系導電性接着剤7によって絶縁層5と接着されているので、密着性が高く、樹脂系導電性接着剤7の剥がれを抑制することができる。
Therefore, even if the bonding surface between the
さらに、半導体素子2の角部に対向する位置に配線パターン4の孔部41が設けられ、半導体素子2の中央部は配線パターン4上に配置され、接着されているので、半導体素子2の角部と絶縁層5とを接着する樹脂系導電性接着剤7の厚みは、少なくとも配線パターン4の厚み以上を確保することができる。そのため、最も応力が高い半導体素子2の角部における樹脂系導電性接着剤7を厚くすることができるので、半導体素子2と絶縁層5との間でより一層強固な接着性を実現することが可能となる。その結果、ヒートサイクル負荷時でも、特に応力が高くなる半導体素子2の角部の樹脂系導電性接着剤7への応力を緩和することができる。
Further, the
従来、半導体素子2が樹脂系導電性接着剤7を介して配線パターン4とのみ接着していた場合、接着後の樹脂系導電性接着剤7の厚みは約5〜50μmであった。一方、配線パターンの厚みは、例えば18〜200μmが用いられるが、電力用など大電流を要する用途で用いられる場合、105μmが主として用いられている。この場合、本実施の形態によれば、従来5〜50μmであった半導体素子2の角部を接着する樹脂系導電性接着剤7の厚みを、110〜155μmと2倍以上に厚膜化でき、ヒートサイクルに対する樹脂系導電性接着剤7への応力を大幅に緩和することが可能である。
Conventionally, when the
尚、図1では半導体素子2の角部のみを、樹脂系導電性接着剤7によって絶縁層5と接着させたが、半導体素子2の外周辺全部を接着させても良い。図4に、半導体素子2の外周の位置に沿って、孔部41を設けた場合の半導体装置の上面図を示す。また、図5に、半導体素子2の周辺部を孔部41とした場合の、半導体素子2を搭載する前の半導体装置の上面図を示す。
In FIG. 1, only the corners of the
図3で示す4箇所の孔部41が、図5では、半導体素子2の外周に沿って連続しており、半導体素子2が接着される部分の配線パターン4と、半導体素子2が接着されない部分の配線パターン4とが孔部41によって分離される。つまり、図4のように、半導体素子2は孔部41によって取り囲まれ、半導体素子2の裏面における外周の部分は、樹脂系導電性接着剤7によって絶縁層5と接着されている。図4において、半導体素子2が接着される部分の配線パターン4と、半導体素子2が接着されない部分の配線パターン4とは、樹脂系導電性接着剤7によって電気的に接続されている。
The four
ヒートサイクル時に発生する応力は、半導体素子2の角部の頂点が最も高いが、半導体素子2の外周辺にはその次に高い応力が発生する。そのため、角部に加えて、半導体素子2の中央部よりも高い応力が発生する外周辺についても、絶縁層5の表面上に配置され、樹脂系導電性接着剤7を介して絶縁層5と接着されることによって半導体素子2が絶縁層5に強固に密着されるので、本実施の形態の効果がより大きく得られる。また、半導体素子2が樹脂系導電性接着剤7を介して絶縁層5と接着される面積が増えることも、密着性の一層の向上につながる。
The stress generated during the heat cycle is highest at the top of the corner of the
尚、図5の場合、孔部41の体積が図3に比べて大きくなるので、孔部41に樹脂系導電性接着剤7を充填し、半導体素子2の側面にフィレットを形成して安定的に搭載するためには、図3よりも多くの樹脂系導電性接着剤7を塗布する必要がある。そこで、半導体素子2を搭載する前に、樹脂系導電性接着剤7を半導体素子2の搭載領域に十分に広げておくと、半導体素子2の側面にフィレットを安定して形成することが出来る。例えば、樹脂系導電性接着剤7を塗布する際にスタンプ方式を用いると、広い領域に樹脂系導電性接着剤7を塗布することが出来る。フィレットを形成するためには、予め、半導体素子2が配置されない部分の配線パターン4にまではみ出して樹脂系導電性接着剤7を塗布しておくことが望ましい。
In the case of FIG. 5, since the volume of the
図3や図5で説明したように、半導体素子2の裏面の角部や、角部を含む外周辺を樹脂系導電性接着剤7によって絶縁層5と接着させることが最も効果的であるが、半導体素子2の角部や外周辺に孔部41がない場合、例えば半導体素子2の中央部のみに孔部41が形成された場合であっても、半導体素子2の裏面の一部が樹脂系導電性接着剤7を介して絶縁層5と接着されたことによって密着性が向上し、ヒートサイクルに対する信頼性が高くなる効果は得られる。
As described with reference to FIGS. 3 and 5, it is most effective to bond the corners on the back surface of the
次に、配線パターン4の酸化に対する効果について説明する。アルミや銅からなる熱伝導率が高い金属である放熱板6に、配線パターン4となる金属箔付の絶縁層5を接着する際、熱圧着が実施される。
Next, the effect on the oxidation of the
配線パターン4となる金属箔は、一方の片面が凹凸形状で、他方の片面が鏡面形状の電界銅箔などを用いる。金属箔付の絶縁層5は、例えば電解銅の凹凸面に、絶縁層5の材料である樹脂系の液体を塗り広げた後、樹脂を半硬化することで形成する。その後、放熱板6に金属箔付の絶縁層5を熱圧着によって貼付け、一体化する。最後に金属箔をパターニングし、部分的にエッチングすることで配線パターン4を形成する。
The metal foil used as the
絶縁層5と放熱板6とを熱圧着する際、配線パターン4が高温に晒されて酸化してしまう場合がある。このとき、厚い銅酸化膜が形成され、樹脂系導電性接着剤7を酸化した配線パターン4に接着すると、銅酸化膜と銅との界面で剥離が生じ、半導体素子2が剥がれてしまう場合がある。
When the insulating
本実施の形態を用いれば、半導体素子2の裏面の一部を、樹脂系導電性接着剤7を介して絶縁層5に接着させることで配線パターン4が酸化した場合にも、樹脂系導電性接着剤7と絶縁層5との密着性が高いため、樹脂系導電性接着剤7が剥がれにくくなる効果が得られる。
If this embodiment is used, even when the
また、配線パターン4が酸化した場合、ヒートサイクル時などに発生する応力が最も高くなる部分から剥離しやすい。半導体素子2の裏面において、最も応力が高くなるのは角部である。本実施の形態では、最も応力の高くなる半導体素子2の角部に合わせて孔部41を設け、半導体素子2の角部の裏面を、樹脂系導電性接着剤7を介して絶縁層5に接着させることで、銅酸化膜と銅との界面に発生する応力を低減できるので、配線パターン4が酸化した場合も安定した接合品質が得られ、ヒートサイクルに対する信頼性を高くすることができる。
Further, when the
さらに、配線パターン4の保管に設備投資が必要なく、また、管理コストが削減できる。例えば、配線パターン4の酸化を防ぐために防錆処理等が行われることがあるが、本実施の形態では不要となり、コスト削減の効果が得られる。
Furthermore, no capital investment is required to store the
本実施の形態に係る半導体装置では、アンカー効果による密着性向上の効果も得られる。金属箔付の絶縁層5を形成する過程において、絶縁層5と接着する側の金属箔の表面は凹凸形状である。そのため、金属箔と絶縁層5を接着した後、パターニングにより配線パターン4を形成すると、金属箔がエッチングされた絶縁層5の表面にも金属箔の凹凸形状が転写される。
In the semiconductor device according to the present embodiment, the effect of improving the adhesion due to the anchor effect is also obtained. In the process of forming the insulating
図6に、配線パターン4が形成された絶縁層5と樹脂系導電性接着剤7との界面付近の拡大断面図を示す。半導体素子2が接着される領域の、絶縁層5の表面と樹脂系導電性接着剤7との界面は、図6で示されるような凹凸形状となる。このため、凹凸によって接着面積が増大する効果や、アンカー効果により、絶縁層5と樹脂系導電性接着剤7との間で非常に高い接着強度が得られる。
FIG. 6 shows an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the interface between the insulating
本実施の形態に係る半導体装置では、半導体素子2の裏面の一部を配線パターン4条に配置し、樹脂系導電性接着剤7によって電気的に接続しているため、半導体素子2が裏面に裏面電極を備え、縦方向に電流を通電する縦型の半導体素子にも用いることが出来る。
In the semiconductor device according to the present embodiment, a part of the back surface of the
特に、電力用途で使用される縦型の半導体装置の場合は大電流を流す必要があるので、導体発熱による損失の観点から、半導体素子2の裏面には比較的厚膜の配線パターン4が設けられていることが望ましい。半導体素子2の裏面の一部が配線パターン4と接着されていれば、樹脂系導電性接着剤7の厚みも厚くなるので、半導体素子2の裏面から流れてくる電流が、厚い配線パターン4又は樹脂系導電性接着剤7を通ってパワーリード9まで流れる電流経路において、導体発熱による損失が小さくなる効果が得られる。
In particular, in the case of a vertical semiconductor device used for power applications, it is necessary to flow a large current. Therefore, from the viewpoint of loss due to conductor heat generation, a relatively
縦型の半導体素子2でない場合、すなわち横型の半導体素子2であったとしても、半導体素子2の裏面を配線パターン4と電気的に接続することで半導体素子2の裏面の電位を、たとえば接地など、配線パターン4と同電位にすることができ、裏面の電位が浮遊することを抑制できる。
Even if the
また、本実施の形態では、半導体素子2を搭載する際の接着剤として、Agペーストなどの放熱性の高い樹脂系導電性接着剤7を用いたので、接着剤として非導電性の樹脂材料を用いる場合に比較して、放熱性を損なうこともない。
In the present embodiment, since the resin-based
さらに、ヒートサイクル時における界面の応力を低減できる範囲、つまり、樹脂系導電性接着剤7と絶縁層5のフィラーの充填量を同程度にしながら充填量を増加することができるが、フィラーの充填量を増加すると熱伝導率が向上するので、熱抵抗が低減され、放熱性が高まるのでより信頼性が高くなり、半導体装置の動作寿命をのばすことが可能になる。さらに、冷却系統の簡素化などにより、半導体装置の小型化が可能となる。
Further, the amount of filling can be increased while the filling amount of the filler in the resin-based
尚、本実施の形態では半導体素子2を搭載する際に樹脂系導電性接着剤7を用いているが、非樹脂成分であるはんだなどを接着剤として用いる場合に比べて耐熱性が高く、はんだに比べて高温で動作可能である。
In the present embodiment, the resin-based
高温動作を必要としない半導体装置においても、従来、半導体素子2をはんだで接着した後の工程において、パワーリード9や制御用リード10と外部機器とを接続する際には通常、はんだが用いられる。このとき、半導体装置の温度がはんだの融点まで高温化されるので、半導体素子2を接着していたはんだが溶け、半導体素子2の搭載位置がずれたり、接着が不安定となって剥がれやすくなったりするなどの問題があった。
Even in a semiconductor device that does not require high-temperature operation, conventionally, solder is usually used when connecting the
本実施の形態では、樹脂系導電性接着剤7は半導体素子2を接着するために100℃以上の温度で熱硬化した後は、後工程ではんだの融点まで高温化されても溶けないので、安定した密着性が得られる。
In the present embodiment, the resin-based
また、本実施の形態では、半導体素子2としてSi(シリコン)を主成分とするものや、SiC(シリコンカーバイド)やGaN(ガリウムナイトライド)などの化合物を主成分とするものを用いても良い。ワイドバンドギャップ半導体であるSiCやGaNは、高温動作が期待されているため、高温ヒートサイクルに対する信頼性の高い半導体装置が得られる本実施の形態を採用する効果が大きい。本実施の形態を、ワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体装置に適用すると、高温動作を行うヒートサイクル負荷の大きい場合にも、信頼性の高い特性を実現することが出来る。
In the present embodiment, the
また、半導体素子2としてはMOSFET(Metal−Oxide−Semiconductor Field Effect Transistor)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、JFET(Junction−Field−Effect−Transistor)やダイオードなどを用いることが出来る。
The
実施の形態2.
図7は、本実施の形態2に係る半導体装置を示す上面図である。また、図8は、本実施の形態2に係る半導体装置の半導体素子2を搭載する前を示す上面図である。本実施の形態における半導体装置においては、半導体素子2の裏面と接着される領域において、配線パターン4と孔部41との境界線が円弧状であることを特徴とする。それ以外については、実施の形態1と同様である。本実施の形態によれば、ヒートサイクル時に樹脂系導電性接着剤7に発生する応力がより緩和され、半導体装置の信頼性がより向上する。
FIG. 7 is a top view showing the semiconductor device according to the second embodiment. FIG. 8 is a top view showing a state before mounting the
本実施の形態では、図8に示すように上面視において、半導体素子2の角部が搭載される部分の配線パターン4と孔部41との境界線が円弧状となっている。図8のような形状により、孔部41は半導体素子2が接着される辺が湾曲形状となる。つまり、半導体素子2が配置され、接着される領域において、配線パターン4と孔部41との境界線が頂点のない曲線形状となっている。
In the present embodiment, as shown in FIG. 8, the boundary line between the
実施の形態1で説明した図3のように、配線パターン4が半導体素子2と接着される領域において、孔部41と配線パターン4との境界が頂点を有する形状である場合、当該頂点に接する樹脂系導電性接着剤7に発生する応力は、その他の部分に比べて局所的に高くなり、ヒートサイクル時にクラックや剥離が生じやすくなる。
As shown in FIG. 3 described in the first embodiment, in the region where the
本実施の形態では、半導体素子2と接着される配線パターン4と孔部41との境界は頂点を有さず、円弧状となっているので、樹脂系導電性接着剤7に局所的に応力が発生することを抑制することができ、ヒートサイクルに対する信頼性をより向上することが可能となる。
In the present embodiment, the boundary between the
本実施の形態では、配線パターン4の4箇所に孔部41を設ける構造としたが、図8で示される孔部41が、搭載される半導体素子2の外周辺に沿って連続していても良い。図9に、本実施の形態に係る半導体装置の変形例において、半導体素子2が搭載される前の上面図を示す。図9では、半導体素子2と接着される配線パターン4と孔部41との境界線が円形状となっている。
In the present embodiment, the
図9の場合、樹脂系導電性接着剤7への局所的な応力の発生が抑制される効果に加え、半導体素子2が樹脂系導電性接着剤7を介して絶縁層5と接着される面積も増え、ヒートサイクルに対する密着性をより高くすることが出来る。
In the case of FIG. 9, in addition to the effect of suppressing the generation of local stress on the resin-based
尚、本発明の実施の形態2では本発明の実施の形態1と相違する部分について説明し、同一または対応する部分についての説明は省略した。 In the second embodiment of the present invention, portions different from the first embodiment of the present invention are described, and descriptions of the same or corresponding portions are omitted.
実施の形態3.
図10は、本実施の形態3に係る半導体装置を示す断面図である。本実施の形態における半導体装置においては、半導体素子2の裏面全面が、樹脂系導電性接着剤7によって絶縁層5の表面上に配置されている。それ以外については、実施の形態1と同様である。本実施の形態によれば、半導体素子2が絶縁層5と直接接着される面積が増加するので、強固な接着が得られ、ヒートサイクルに対してより高い信頼性を確保できる。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing the semiconductor device according to the third embodiment. In the semiconductor device according to the present embodiment, the entire back surface of the
図11に、本実施の形態に係る半導体装置の上面図を示す。また、図12に、本実施の形態に係る半導体装置において、半導体素子2を搭載する前の上面図を示す。
FIG. 11 shows a top view of the semiconductor device according to the present embodiment. FIG. 12 shows a top view of the semiconductor device according to the present embodiment before the
図12の上面視において、配線パターン4には、半導体素子2の搭載位置に半導体素子2より面積の大きい孔部41が設けられる。つまり、図12のように、半導体素子2が搭載される領域及びその周辺部の配線パターン4をパターニングによりすべて取り除いて、絶縁層5が露出した孔部41を設ける。次に、孔部41に樹脂系導電性接着剤7が充填された後、図11のように、孔部41内に入るように半導体素子2が搭載される。つまり、半導体素子2は孔部41内に配置される。樹脂系導電性接着剤7は配線パターン4の孔部41内に充填され、配線パターン4にも接合されるので、配線パターン4と半導体素子2の裏面とは、樹脂系導電性接着剤7を介して互いに電気的に接続される。
In the top view of FIG. 12, the
本実施の形態では、実施の形態1のように半導体素子2の裏面は配線パターン4の上には配置されないので、樹脂系導電性接着剤7の厚みが、配線パターン4の厚み以上となる効果は得られない。しかしながら、半導体素子2が樹脂系導電性接着剤7を介して絶縁層5と接着される面積が増加する分、ヒートサイクルに対する密着性が向上する効果が得られる。
In the present embodiment, since the back surface of the
さらに、孔部41に樹脂系導電性接着剤7を充填し、孔部41の内部に半導体素子2を埋め込むような形で配置するので、半導体素子2の側面にフィレットを容易に形成することができる。形成された十分なフィレットにより、半導体素子2の密着性がより強固となる。
Furthermore, since the
固体中の熱伝導には、部材自身の熱抵抗と、部材間の界面の熱抵抗が影響する。実施の形態1において半導体素子2から放熱板6までの放熱経路では、半導体素子2から放熱板6までの間に、樹脂系導電性接着剤7、配線パターン4、絶縁層5が存在する領域があり、さらに、それぞれの界面熱抵抗が発生する。配線パターン4は銅で形成されているので熱抵抗は小さいが、樹脂系導電性接着剤7と配線パターン4との界面、及び配線パターン4と絶縁層5との界面に界面熱抵抗が生じる。
The heat resistance in the solid is affected by the thermal resistance of the member itself and the thermal resistance at the interface between the members. In the first embodiment, in the heat dissipation path from the
一方、本実施の形態では、半導体素子2から放熱板6までの間に、樹脂系導電性接着剤7、絶縁層5のみが存在するので、界面熱抵抗が発生するのは樹脂系導電性接着剤7と絶縁層5との界面のみとなるので、界面熱抵抗が減少し、熱抵抗を低減することができる。すなわち、放熱経路における界面熱抵抗を低減することができるため、全体の熱抵抗を低減でき、半導体素子2の動作寿命をのばすことが出来る。また、放熱特性が向上するので、発熱密度の高い小面積の半導体素子2を搭載することができ、半導体装置の小型化が可能となる。
On the other hand, in this embodiment, since only the resin-based
尚、本発明の実施の形態3では本発明の実施の形態1と相違する部分について説明し、同一または対応する部分についての説明は省略した。 In the third embodiment of the present invention, portions different from the first embodiment of the present invention are described, and descriptions of the same or corresponding portions are omitted.
2 半導体素子、4 配線パターン、5 絶縁層、6 放熱板、7 樹脂系導電性接着剤、8 インサートケース、9 パワーリード、10 制御用リード、11 ボンディングワイヤ、12 封止用樹脂、40 樹脂間接着領域、41 孔部。 2 semiconductor element, 4 wiring pattern, 5 insulating layer, 6 heat sink, 7 resin conductive adhesive, 8 insert case, 9 power lead, 10 control lead, 11 bonding wire, 12 sealing resin, 40 resin indirect Landing area, 41 hole.
Claims (9)
前記絶縁層の表面に形成され、孔部を有する金属製の配線パターンと、
樹脂系導電性接着剤によって前記配線パターンと電気的に接続された裏面が、前記孔部に充填された前記樹脂系導電性接着剤によって前記絶縁層の表面に接着された半導体素子と、
を備えた半導体装置。 An insulating layer made of a resin-based material;
A metal wiring pattern formed on the surface of the insulating layer and having a hole; and
A semiconductor element in which a back surface electrically connected to the wiring pattern by a resin-based conductive adhesive is bonded to the surface of the insulating layer by the resin-based conductive adhesive filled in the hole;
A semiconductor device comprising:
を特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 The semiconductor element is characterized in that a part of the back surface is disposed on the surface of the wiring pattern and a part of the back surface is adhered to the surface of the wiring pattern by the resin-based conductive adhesive. The semiconductor device according to claim 1.
を特徴とする請求項2に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 2, wherein the wiring pattern is provided with the hole portion at a position facing a corner portion of the semiconductor element.
を特徴とする請求項2に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 2, wherein the wiring pattern is provided with the hole so as to surround the semiconductor element at a position facing the outer periphery of the semiconductor element.
を特徴とする請求項2乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置。 5. The semiconductor device according to claim 2, wherein the wiring pattern has a circular arc boundary line with the hole in a region where the semiconductor element is disposed.
前記半導体素子は、前記孔部内に配置されたこと
を特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 The wiring pattern has the hole having an area larger than the area of the semiconductor element in a top view;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor element is disposed in the hole.
を特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein a surface of the insulating layer to which the semiconductor element is bonded by the resin-based conductive adhesive has an uneven shape.
を特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein a fillet of the resin-based conductive adhesive is formed on a side surface of the semiconductor element.
を特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 8, wherein the resin-based conductive adhesive is an Ag paste.
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