JP2022125445A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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- H01L2224/29101—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
- H01L2224/29111—Tin [Sn] as principal constituent
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- H01L2224/291—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/29138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
- H01L2224/29139—Silver [Ag] as principal constituent
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- H01L2224/29198—Material with a principal constituent of the material being a combination of two or more materials in the form of a matrix with a filler, i.e. being a hybrid material, e.g. segmented structures, foams
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- H01L2224/29298—Fillers
- H01L2224/29299—Base material
- H01L2224/293—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/29338—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
- H01L2224/29339—Silver [Ag] as principal constituent
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- H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
- H01L2224/3201—Structure
- H01L2224/32012—Structure relative to the bonding area, e.g. bond pad
- H01L2224/32014—Structure relative to the bonding area, e.g. bond pad the layer connector being smaller than the bonding area, e.g. bond pad
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- H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
- H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
- H01L2224/3205—Shape
- H01L2224/32057—Shape in side view
- H01L2224/32059—Shape in side view comprising protrusions or indentations
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- H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
- H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
- H01L2224/321—Disposition
- H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
- H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
- H01L2224/32245—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic
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- H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
- H01L2224/33—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of a plurality of layer connectors
- H01L2224/331—Disposition
- H01L2224/3318—Disposition being disposed on at least two different sides of the body, e.g. dual array
- H01L2224/33181—On opposite sides of the body
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- H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
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- H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
- H01L2224/83007—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector involving a permanent auxiliary member being left in the finished device, e.g. aids for holding or protecting the layer connector during or after the bonding process
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- H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
- H01L2224/83009—Pre-treatment of the layer connector or the bonding area
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- H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
- H01L2224/83053—Bonding environment
- H01L2224/83054—Composition of the atmosphere
- H01L2224/83065—Composition of the atmosphere being reducing
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- H01L2224/831—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector the layer connector being supplied to the parts to be connected in the bonding apparatus
- H01L2224/83101—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector the layer connector being supplied to the parts to be connected in the bonding apparatus as prepeg comprising a layer connector, e.g. provided in an insulating plate member
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- H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
- H01L2224/8336—Bonding interfaces of the semiconductor or solid state body
- H01L2224/83365—Shape, e.g. interlocking features
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- H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
- H01L2224/8338—Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
- H01L2224/83399—Material
- H01L2224/834—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/83417—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950°C
- H01L2224/83424—Aluminium [Al] as principal constituent
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- H01L2224/8338—Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
- H01L2224/83399—Material
- H01L2224/834—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/83438—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
- H01L2224/83447—Copper [Cu] as principal constituent
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- H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
- H01L2224/838—Bonding techniques
- H01L2224/83801—Soldering or alloying
- H01L2224/83815—Reflow soldering
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- H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L24/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
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Abstract
Description
本願は、半導体装置及びその製造方法に関するものである。
半導体装置は、半導体素子がはんだにより金属などの導体部材と接合され、半導体素子と導体部材とがモールド樹脂によって封止されたものである。一般に、チップ状の半導体素子と導体部材との間に配置されたはんだを一時的に溶融することで、半導体素子と導体部材との間は相互に接合される。導体部材と接合される半導体素子の部分は、例えば、半導体素子の表面電極に設けられた金属薄膜である電極材料である。半導体素子の表面電極の外周部には絶縁性の保護膜が設けられる。保護膜は、表面電極の絶縁性を維持して、半導体素子の耐圧を担保する機能を有している。
このように、はんだ付けされた半導体素子の表面電極の外周部には、複数の異種材料(上述した構成では、はんだ、電極材料、及び保護膜)が相互に接触する多重点が存在する。多重点では、各材料が有した線膨張率の違いにより、半導体装置の使用時に局所的に大きな応力が作用する。局所的に大きな応力が作用した場合、接合部分の剥離または破損が発生することがある。そのため、発生する応力を緩和する目的で、はんだの裾広がり形状(いわゆるフェレット形状)を制御する技術が開示されている(例えば特許文献1参照)。
導体部材と半導体素子とがはんだにより接合された半導体装置において、導体部材の金属膜の第1領域にレーザを照射することで、第1領域と第1領域に近接した第3領域のはんだ濡れ性が低下する。はんだ濡れ性が低下する領域を導体部材に形成することで、半導体素子側のはんだのフェレット形状が制御される。そのため、導体部材の金属膜上にはんだが濡れ広がって、半導体素子側に90度以上のフェレット角度が形成されることを抑制することができる。
上記特許文献1においては、多重点において半導体素子表面のはんだのフェレット形状を制御することができるので、多重点での応力を緩和することができる。しかしながら、半導体素子側のフェレット形状を制御するために半導体素子に対向した導電部材にはんだ濡れ性が低下する領域を設けているので、導電部材またははんだの位置がずれることにより、半導体素子側のフェレット形状を十分に制御できず、満足する応力緩和効果が得られないという課題があった。また、半導体素子外周部の多重点そのものは残されているので、応力緩和の効果を十分に得ることができないという課題があった。
そこで、本願は、はんだ濡れを抑制して多重点の形成を回避した半導体装置及びその製造方法を得ることを目的としている。
本願に開示される半導体装置は、板状に形成された本体部、本体部の一方の面における外周部に設けられた保護膜、及び本体部の一方の面における保護膜の内側に隣接して設けられた金属薄膜を有した半導体素子と、本体部とは反対側の金属薄膜の面に、はんだにより接合された金属部材と、半導体素子と金属部材とを封止するモールド樹脂とを備え、本体部とは反対側の金属薄膜の面における外周部の少なくとも一部は、金属薄膜の面から突出している突起部を有し、突起部の頂部よりも外周側にははんだが設けられていないものである。
本願に開示される半導体装置の製造方法は、板状に形成された本体部、本体部の一方の面における外周部に設けられた保護膜、及び本体部の一方の面における保護膜の内側に隣接して設けられた金属薄膜を有した半導体素子と、半導体素子と外部とを接続する金属部材と、半導体素子と金属部材とを封止するモールド樹脂とを用意する部材用意工程と、本体部とは反対側の金属薄膜の面における外周部の少なくとも一部に、金属薄膜の面から突出している突起部を形成する突起部形成工程と、突起部の頂部よりも内側の金属薄膜の面に、はんだを介して金属部材を接合するはんだ付け工程と、半導体素子と金属部材とをモールド樹脂で封止する封止工程とを備えたものである。
本願に開示される半導体装置によれば、本体部、本体部の一方の面における外周部に設けられた保護膜、及び本体部の一方の面における保護膜の内側に隣接して設けられた金属薄膜を有した半導体素子と金属部材とははんだにより接合され、本体部とは反対側の金属薄膜の面における外周部の少なくとも一部は、金属薄膜の面から突出している突起部を有し、突起部の頂部よりも外周側にははんだが設けられていないため、突起部の頂部よりも外周側にははんだの濡れ広がりが抑制されるので、発熱に起因して大きな応力が発生しやすい多重点の形成を回避することができる。
本願に開示される半導体装置の製造方法によれば、板状に形成された本体部、本体部の一方の面における外周部に設けられた保護膜、及び本体部の一方の面における保護膜の内側に隣接して設けられた金属薄膜を有した半導体素子と、半導体素子と外部とを接続する金属部材と、半導体素子と金属部材とを封止するモールド樹脂とを用意する部材用意工程と、本体部とは反対側の金属薄膜の面における外周部の少なくとも一部に、金属薄膜の面から突出している突起部を形成する突起部形成工程と、突起部の頂部よりも内側の金属薄膜の面に、はんだにより金属部材を接合するはんだ付け工程と、半導体素子と金属部材とモールド樹脂で封止する封止工程と、を備えたため、半導体装置は突起部の頂部よりも外周側にははんだが設けられていないので、突起部の頂部よりも外周側にははんだの濡れ広がりが抑制され、発熱に起因して大きな応力が発生しやすい多重点の形成を回避することができる。
以下、本願の実施の形態による半導体装置及びその製造方法を図に基づいて説明する。なお、各図において同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。また、説明を明確にするため、図面は適宜、簡略化している。
実施の形態1.
図1は実施の形態1に係る半導体装置10の概略を示す断面図、図2は半導体装置10の半導体素子11の概略を示す平面図、図3は半導体装置10の要部を示す断面図、図4は半導体装置10の別の半導体素子11の概略を示す平面図、図5は比較例に係る半導体装置100の要部を示す断面図、図6は半導体装置10の製造工程を示す図である。半導体装置10は電力制御用半導体素子などの半導体素子11が搭載された装置で、電力変換を行う装置などに用いられる。
図1は実施の形態1に係る半導体装置10の概略を示す断面図、図2は半導体装置10の半導体素子11の概略を示す平面図、図3は半導体装置10の要部を示す断面図、図4は半導体装置10の別の半導体素子11の概略を示す平面図、図5は比較例に係る半導体装置100の要部を示す断面図、図6は半導体装置10の製造工程を示す図である。半導体装置10は電力制御用半導体素子などの半導体素子11が搭載された装置で、電力変換を行う装置などに用いられる。
<半導体装置10>
半導体装置10は、半導体素子11、金属部材12、ヒートスプレッダ16、半導体素子11と金属部材12とを接合するはんだ13、半導体素子11とヒートスプレッダ16とを接合する接合層15、及びモールド樹脂14を備える。半導体素子11は、図2に示すように、板状に形成された本体部11a、本体部11aの一方の面における外周部に設けられた保護膜11b、及び本体部11aの一方の面における保護膜11bの内側に隣接して設けられた金属薄膜11cを有する。金属薄膜11cの外周部には、突起部20が設けられる。突起部20の詳細は後述する。金属部材12は、図3に示すように、本体部11aとは反対側の金属薄膜11cの面に、はんだ13により電気的に接合される。ヒートスプレッダ16は、図1に示すように、本体部11aの他方の面に接合層15を介して接合される。モールド樹脂14は、半導体素子11と金属部材12とを封止する。モールド樹脂14には、例えば、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂が用いられるが、これに限るものではない。
半導体装置10は、半導体素子11、金属部材12、ヒートスプレッダ16、半導体素子11と金属部材12とを接合するはんだ13、半導体素子11とヒートスプレッダ16とを接合する接合層15、及びモールド樹脂14を備える。半導体素子11は、図2に示すように、板状に形成された本体部11a、本体部11aの一方の面における外周部に設けられた保護膜11b、及び本体部11aの一方の面における保護膜11bの内側に隣接して設けられた金属薄膜11cを有する。金属薄膜11cの外周部には、突起部20が設けられる。突起部20の詳細は後述する。金属部材12は、図3に示すように、本体部11aとは反対側の金属薄膜11cの面に、はんだ13により電気的に接合される。ヒートスプレッダ16は、図1に示すように、本体部11aの他方の面に接合層15を介して接合される。モールド樹脂14は、半導体素子11と金属部材12とを封止する。モールド樹脂14には、例えば、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂が用いられるが、これに限るものではない。
半導体素子11には、MOSFET(金属酸化膜型電界効果トランジスタ、Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、IGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ、Insulated Gate Bipolar Transistor)などの電力制御用半導体素子、もしくは還流ダイオードなどが用いられる。半導体素子11は、炭化ケイ素、シリコン、もしくは窒化ガリウムなどの材料からなる半導体基板に形成される。本実施の形態では、一つの半導体素子11を設けた構成を示しているがこれに限るものではなく、半導体装置10は複数種の半導体素子11を複数備えて構成されていても構わない。また、本実施の形態では、半導体素子11は矩形状に形成されているが、半導体素子11の形状は矩形状に限るものではない。
半導体素子11は、本体部11aの一方の面に表面電極、及び本体部11aの他方の面に裏面電極を備える。これらの電極は、図では省略している。表面電極に枠状に設けられた保護膜11bは、絶縁性の保護層である。保護膜11bは、例えば、樹脂材料であるポリイミドで形成される。保護膜11bは、表面電極の絶縁性を維持して、半導体素子11の耐圧を担保する機能を有している。
金属薄膜11cは、例えば、ニッケル(Ni)を主成分とするめっき膜である。金属薄膜11cはめっき膜に限るものではなく、蒸着により形成された金属薄膜であっても構わない。金属薄膜11cがめっき膜である場合、はんだの濡れ性を向上させることができる。また金属薄膜11cの部分の耐腐食性を向上させることができる。また、めっき膜は複数の層を有していても構わない。複数の層は、例えば、ニッケルを主成分とするめっき膜の層と金(Au)からなるめっき層である。めっき膜が複数の層を有している場合、はんだの濡れ性をさらに向上させると共に、金属薄膜11cの部分の耐腐食性をさらに向上させることができる。
ヒートスプレッダ16は、熱伝導性に優れると共に、電気伝導性を備えた銅またはアルミニウム等の金属から作製される。ヒートスプレッダ16と半導体素子11とは、接合層15を介して電気的かつ熱的に接合される。接合層15は高熱伝導で低電気抵抗な特性を備えた材料で、例えば銀を主成分としたペースト材またははんだである。接合層15は、半導体素子11で発生した熱を効果的にヒートスプレッダ16へ伝達する。そのため、半導体素子11で生じた熱はヒートスプレッダ16介して外部に拡散されるので、半導体素子11は効果的に冷却される。
<比較例>
本願の要部である突起部20の説明に先立ち、図5を用いて比較例について説明する。図5は、図1の破線で囲まれた部分と同等の位置を拡大して示した半導体装置100の要部を示す断面図である。半導体素子110は、本体部110aの外周部に設けられた保護膜110b、及び保護膜110bの内側に隣接して設けられた金属薄膜110cを有する。金属部材120は、金属薄膜110cにはんだ130により電気的に接合される。モールド樹脂140は、半導体素子110と金属部材120とを封止する。
本願の要部である突起部20の説明に先立ち、図5を用いて比較例について説明する。図5は、図1の破線で囲まれた部分と同等の位置を拡大して示した半導体装置100の要部を示す断面図である。半導体素子110は、本体部110aの外周部に設けられた保護膜110b、及び保護膜110bの内側に隣接して設けられた金属薄膜110cを有する。金属部材120は、金属薄膜110cにはんだ130により電気的に接合される。モールド樹脂140は、半導体素子110と金属部材120とを封止する。
はんだ130の金属薄膜110cの側の外周部は、金属薄膜110cの端部に加えて、保護膜110bの内側と接している。この箇所は、複数の材料が相互に接する多重点Aとなる。多重点Aは、各材料が有した線膨張率の違いにより、半導体装置100が動作時に発熱した場合には大きな応力が発生しやすい箇所である。多重点Aに大きな応力が発生した場合、応力が金属薄膜110cと保護膜110bの界面を伝わることで、半導体素子110の本体部110aの表面電極(図示せず)の破損を引き起こし、半導体装置100の動作不良につながることがある。
<突起部20>
本願の要部である突起部20について図3を用いて説明する。図3は、図1の破線で囲まれた部分を拡大して示した半導体装置10の要部を示す断面図である。本体部11aとは反対側の金属薄膜11cの面における外周部の少なくとも一部は、金属薄膜11cの面から突出している突起部20を有し、突起部20の頂部よりも外周側にははんだ13が設けられていない。金属薄膜11cの突起部20の表面の酸化膜の厚みは、突起部20よりも内側の金属薄膜11cの部分の表面の酸化膜の厚みよりも厚い。突起部20よりも外周側の突起部20の底部の部分の金属薄膜11cの厚みは、突起部20よりも内側の金属薄膜11cの厚みよりも小さい。突起部20は、図2に示すように、金属薄膜11cの外周部と金属薄膜11cの一点鎖線で囲まれた部分の間に形成される。金属薄膜11cの外周部において、突起部20は全周に亘って形成されている。
本願の要部である突起部20について図3を用いて説明する。図3は、図1の破線で囲まれた部分を拡大して示した半導体装置10の要部を示す断面図である。本体部11aとは反対側の金属薄膜11cの面における外周部の少なくとも一部は、金属薄膜11cの面から突出している突起部20を有し、突起部20の頂部よりも外周側にははんだ13が設けられていない。金属薄膜11cの突起部20の表面の酸化膜の厚みは、突起部20よりも内側の金属薄膜11cの部分の表面の酸化膜の厚みよりも厚い。突起部20よりも外周側の突起部20の底部の部分の金属薄膜11cの厚みは、突起部20よりも内側の金属薄膜11cの厚みよりも小さい。突起部20は、図2に示すように、金属薄膜11cの外周部と金属薄膜11cの一点鎖線で囲まれた部分の間に形成される。金属薄膜11cの外周部において、突起部20は全周に亘って形成されている。
突起部20は、後述するレーザ光の照射による突起部形成工程において、粗面化かつ酸化された金属薄膜11cの領域である。そのため、突起部20の頂部よりも外周側には、はんだ13の濡れ広がりが抑制される。突起部20の頂部よりも内周側で、金属部材12と金属薄膜11cとははんだ13により接合される。このように構成することで、発熱に起因して大きな応力が発生しやすい多重点の形成を回避することができる。多重点の形成が回避されるので、表面電極の損傷を抑制することができる。半導体装置10の動作時に発熱に起因した応力がはんだ13の金属薄膜110cの側の外周部に発生しても、はんだ13と保護膜11bは接していないので保護膜11bに応力は伝わりにくいため、表面電極の破損を回避することができる。図3では突起部20は複数設けられているが、突起部20ははんだ13の濡れ広がりを抑制したい箇所にのみ形成されていても構わない。
金属薄膜11cの突起部20の表面の酸化膜の厚みが突起部20よりも内側の金属薄膜11cの部分の表面の酸化膜の厚みよりも厚い場合、後述するはんだ付け工程を経ても十分に突起部20に酸化膜が設けられているので、突起部20よりも外周側へのはんだ13の濡れ広がりを確実に抑制することができる。突起部20よりも外周側の突起部20の底部の部分の金属薄膜11cの厚みが突起部20よりも内側の金属薄膜11cの厚みよりも小さい場合、突起部20を形成した領域においても金属薄膜11cが設けられており表面電極が露出することがないので、露出による表面電極の損傷を抑制することができる。
本実施の形態では、突起部20は金属薄膜11cの外周部において全周に亘って形成されている。突起部20を金属薄膜11cの外周部に形成する領域は外周部の全周に限るものではなく、外周部の必要部位にのみ突起部20を設けても構わない。例えば半導体素子11が矩形板状である場合、図4に示すように、突起部20は金属薄膜11cの外周部の一点鎖線で囲まれた角部に形成されていても構わない。金属薄膜11cの外周部に角部がある場合は、発熱に起因した応力は角部に発生しやすい。そのため、角部に突起部20を形成することで、角部においての応力による表面電極の損傷を抑制することができる。また、必要部位にのみ突起部20を形成するので、半導体装置10の生産性を向上させることができる。
なお、突起部20を形成することにより、金属薄膜11cとはんだ13の接合部分であるはんだ接合面積が、図5に示した比較例の半導体装置100に比べて減少することになる。はんだ接合面積の減少することで、電気抵抗の上昇が懸念される。しかしながら、この電気抵抗の上昇に対しては、予め金属薄膜の面積を広げる等の対策により対処は可能であるため、半導体装置10の動作に支障は生じない。
<半導体装置10の製造方法>
半導体装置10の製造方法について、図6を用いて説明する。半導体装置10の製造方法は、部材用意工程(S11)、突起部形成工程(S12)、はんだ付け工程(S13)、及び封止工程(S14)を備える。
半導体装置10の製造方法について、図6を用いて説明する。半導体装置10の製造方法は、部材用意工程(S11)、突起部形成工程(S12)、はんだ付け工程(S13)、及び封止工程(S14)を備える。
部材用意工程は、板状に形成された本体部11a、本体部11aの一方の面における外周部に設けられた保護膜11b、及び本体部11aの一方の面における保護膜11bの内側に隣接して設けられた金属薄膜11cを有した半導体素子11と、半導体素子11と外部とを接続する金属部材12と、半導体素子11と金属部材12とを封止するモールド樹脂14とを用意する工程である。
突起部形成工程は、本体部11aとは反対側の金属薄膜11cの面における外周部の少なくとも一部に、金属薄膜11cの面から突出している突起部20を形成する工程である。突起部20を形成する金属薄膜11c外周部の領域は、外周部の全周でも外周部の必要部位であっても構わない。突起部形成工程では、金属薄膜11cの突起部20を形成する部分の金属薄膜11cの面にレーザ光を照射し、レーザ光の照射部を窪ませ、窪ませられた金属薄膜11cの部材によってレーザ光の照射部よりも少なくとも内側に突起部20を形成する。本実施の形態ではレーザ光の照射による突起部形成工程について説明するが、突起部の形成はレーザ光の照射に限るものではなく、例えばウエットエッチングにより突起部20を形成しても構わない。レーザ光の照射により突起部20を形成する場合、容易に突起部20を形成することができるので、半導体装置10の生産性を向上させることができる。
突起部形成工程におけるレーザ照射は、半導体素子11の単体で行ってもよく、半導体素子11がヒートスプレッダ16に接合された状態で行っても構わない。照射するレーザはパルスレーザが好ましいが、連続波(CW:continuous wave)レーザを用いても構わない。パルスレーザを用いた場合、照射した箇所の熱に起因したダメージが抑えられるため、表面電極及びその他の部材へのダメージを抑制することできる。パルスレーザを用いた場合のパルス幅は、レーザの照射による熱の影響を最小限に抑えるために、できるだけ短い方が好ましい。具体的には、パルス幅は10ns以下であることが好ましい。さらには、1ps(ピコ秒)もしくは1fs(フェムト秒)が好ましい。なお、パルス幅が小さくなるにつれて照射設備のコストが格段に高くなるため、生産性を考慮した場合、10ns程度のパルス幅が利用しやすい。
パルスレーザを用いた場合の波長は特に限定されないが、例えば、200~1500nmの範囲内が好ましい。短波長(200~355nm)であれば金属材料への吸収率が高く、加工精度を向上させることができるが、照射設備のコストは上昇する。この範囲よりもさらに長波長側では金属材料の加工には向いていない。1064nmは基本波長と呼ばれ、汎用性が高く工業的に普及している波長である。そのため、波長は500~1100nmの範囲内がより好ましい。
パルスレーザを用いた場合の平均出力も特に限定されないが、例えば、0.1~100W程度が好ましい。レーザ溶接などで使用するレーザには数1000W程度の高出力のレーザが用いられるが、金属薄膜の表面のみに突起部を形成するには、そのような高出力のレーザを用いる必要はない。平均出力がこの範囲よりも小さくなると、突起部を形成できなくなる。20W程度が一般的に普及しているレーザの出力である。そのため、平均出力は1~20W程度がより好ましい
パルスレーザを用いた場合の単位面積あたりに照射するエネルギー密度は、80J/cm2以下が好ましい。エネルギー密度が80J/cm2よりも大きい場合、供給するエネルギーが過多になり、照射されたレーザのエネルギーが金属薄膜11cを透過して下地の表面電極の劣化、変質、及び破損を引き起こすことになる。そのため、エネルギー密度は80J/cm2以下が好ましい。
突起部20を金属薄膜11cの外周部の全周に形成する場合は、金属薄膜11cの外周に沿ってレーザを帯状に照射する。突起部20を金属薄膜11cの外周部の角部に形成する場合は、金属薄膜11cの外周部の角部にのみレーザを照射する。突起部20は、レーザを照射した箇所にのみ形成される。また、レーザを照射した箇所の酸化膜の厚みは、レーザを照射していない箇所の酸化膜の厚みよりも厚くなる。そのため、突起部20の表面の酸化膜の厚みは、突起部20よりも内側の金属薄膜11cの部分の表面の酸化膜の厚みよりも厚い。突起部20が形成されることで、突起部20の頂部よりも外周側にははんだ13の濡れ広がりが抑制される。また、突起部20の表面が酸化していることで、突起部20よりも外周側には、はんだ13の濡れ広がりがさらに抑制される。突起部20の頂部よりも内周側で、金属部材12と金属薄膜11cとははんだ13を介して接合されるので、発熱に起因した大きな応力が発生しやすい多重点の形成を回避することができる。なお、酸化膜の厚みは、酸化膜に対するSEM-EDXの元素分析により酸素の存在率を算出することで確認することができる。
はんだ付け工程は、突起部20よりも内側の金属薄膜11cの面に、はんだ13により金属部材12を接合する工程である。本実施形態では、はんだ付け工程は半導体素子11がヒートスプレッダ16に接合された状態で行われる。突起部形成工程におけるレーザ照射を半導体素子11の単体で行った場合、半導体素子11をヒートスプレッダ16に接合した後にはんだ付け工程が行われる。使用するはんだ13は特に限定されないが、例えばはんだ箔を用いることができる。金属部材12は、例えば外部と接続されるリードフレームを用いることができる。
半導体素子11の金属薄膜11cの上に、金属薄膜11cの領域に収まる予め定めた大きさのはんだ箔を配置する。その後、はんだ箔の上に金属部材12を積層する。積層した状態でリフローを実施する。リフローにより、はんだ13を介して半導体素子11と金属部材12とが接合される。突起部20よりも外周側にははんだ13の濡れ広がりが抑制されるため、突起部20よりも内側においてはんだ13は濡れた状態となり、半導体素子11と金属部材12とが接合される。
はんだ付け工程は、水素雰囲気下の減圧リフローで実施しても構わない。水素雰囲気下の減圧リフローでは、半導体素子11の金属薄膜11c及び金属部材12の表面に形成された自然酸化膜の一部を還元により除去することができる。自然酸化膜ははんだ付けに不要な膜である。そのため、自然酸化膜を除去することで、はんだ付け性は安定する。また、フラックスレスはんだの使用が可能となる。リフロー時の減圧により、はんだ内部のボイドを抑制することもできる。なお、水素雰囲気下の減圧リフローで実施した場合、突起部20の表面の酸化膜も除去されることになるが、突起部20の表面の酸化膜の厚みは突起部20よりも内側の金属薄膜11cの部分の表面の酸化膜の厚みよりも厚いため、突起部20の表面の酸化膜の全てを除去することなく残すことは可能である。突起部20の表面の酸化膜を残すことで、突起部20よりも外周側のはんだ13の濡れ広がりはさらに抑制される。
封止工程は、半導体素子11と金属部材12とをモールド樹脂14で封止する工程である。金属部材12が外部と直接接続される場合、金属部材12の一部を露出させて半導体素子11と金属部材12とを封止する。金属部材12と外部とがワイヤなどの他の部材を介して接続される場合、半導体素子11と金属部材12とは全てが覆われるように封止される。封止工程に先立ち、必要に応じて半導体素子11の表面とアウターリードとをワイヤで電気的に接続するワイヤーボンディングが行われる。金属薄膜11cの外周部に突起部20が形成されているため、突起部20の部分において、突起部20とモールド樹脂14との密着性がアンカー(投錨)効果によって向上する。
以上のように、実施の形態1による半導体装置10において、本体部11a、本体部11aの一方の面における外周部に設けられた保護膜11b、及び本体部11aの一方の面における保護膜11bの内側に隣接して設けられた金属薄膜11cを有した半導体素子11と金属部材12とははんだ13を介して接合され、本体部11aとは反対側の金属薄膜11cの面における外周部の少なくとも一部は、金属薄膜11cの面から突出している突起部20を有し、突起部20の頂部よりも外周側にははんだ13が設けられていないため、突起部20の頂部よりも外周側にははんだ13の濡れ広がりが抑制されるので、発熱に起因して大きな応力が発生しやすい多重点の形成を回避することができる。
金属薄膜11cの突起部20の表面の酸化膜の厚みが突起部20よりも内側の金属薄膜11cの部分の表面の酸化膜の厚みよりも厚い場合、十分に突起部20に酸化膜が設けられているので、突起部20の頂部よりも外周側へのはんだ13の濡れ広がりをさらに抑制することができる。突起部20よりも外周側の突起部20の底部の部分の金属薄膜11cの厚みが突起部20よりも内側の金属薄膜11cの厚みよりも小さい場合、突起部20を形成した領域において表面電極が露出することがないので、露出による表面電極の損傷を抑制することができる。
金属薄膜11cがめっき膜である場合、はんだ13の濡れ性を向上させることができ、金属薄膜11cの部分の耐腐食性を向上させることができる。めっき膜が複数の層を有している場合、はんだの濡れ性をさらに向上させると共に、金属薄膜11cの部分の耐腐食性をさらに向上させることができる。突起部20が金属薄膜11cの外周部において全周に亘って形成されている場合、金属薄膜11cの外周部の全周において多重点の形成を回避することができる。半導体素子11が矩形板状であり、突起部20が金属薄膜11cの外周部の発熱に起因した応力が発生しやすい角部に形成されている場合、必要部位にのみ突起部20を形成するので半導体装置10の生産性を向上させることができる。
実施の形態1による半導体装置10の製造方法において、板状に形成された本体部11a、本体部11aの一方の面における外周部に設けられた保護膜11b、及び本体部11aの一方の面における保護膜11bの内側に隣接して設けられた金属薄膜11cを有した半導体素子11と、半導体素子11と外部とを接続する金属部材12と、半導体素子11と金属部材12とを封止するモールド樹脂14とを用意する部材用意工程と、本体部11aとは反対側の金属薄膜11cの面における外周部の少なくとも一部に、金属薄膜11cの面から突出している突起部20を形成する突起部形成工程と、突起部20の頂部よりも内側の金属薄膜11cの面に、はんだ13を介して金属部材12を接合するはんだ付け工程と、半導体素子11と金属部材12とモールド樹脂14で封止する封止工程と、を備えたため、半導体装置10は突起部20の頂部よりも外周側にははんだ13が設けられていないので、突起部20の頂部よりも外周側にははんだ13の濡れ広がりが抑制され、発熱に起因して大きな応力が発生しやすい多重点の形成を回避することができる。
突起部形成工程では、金属薄膜11cの面にレーザ光を照射し、レーザ光の照射部を窪ませ、窪ませられた金属薄膜11cの部材によってレーザ光の照射部よりも内側に突起部20を形成する場合、容易に突起部20を形成することができるので、半導体装置10の生産性を向上させることができる。また、レーザ光の照射強度は、エネルギー密度が80J/cm2以下である場合、照射されたレーザのエネルギーが金属薄膜11cを透過して下地の表面電極の劣化、変質、及び破損を引き起こすことを抑制することができる。
以下、実施例及び比較例により本願の詳細を具体的に説明するが、本願はこれらに限定されるものではない。図7は実施例に係る半導体装置10の評価結果を示す図、図8は実施例に係る半導体装置10の評価結果の要部を示す断面図である。評価は、はんだ濡れ抑制、半導体素子ダメージ、電気特性の3つの項目で行った。
<評価サンプル>
後述する評価に用いた半導体素子11について説明する。半導体素子11は銅製のヒートスプレッダ16に接合されている。半導体素子11はIGBTである。半導体素子11の表面の金属薄膜11cはニッケルを主成分とするめっき膜で、めっき膜の厚みは5μm程度である。金属薄膜11cの外周部には、ポリイミドを主成分とする保護膜11bが枠状に形成されている。
後述する評価に用いた半導体素子11について説明する。半導体素子11は銅製のヒートスプレッダ16に接合されている。半導体素子11はIGBTである。半導体素子11の表面の金属薄膜11cはニッケルを主成分とするめっき膜で、めっき膜の厚みは5μm程度である。金属薄膜11cの外周部には、ポリイミドを主成分とする保護膜11bが枠状に形成されている。
突起部20の形成工程について説明する。半導体素子11の金属薄膜11cの表面にパルスレーザを照射することにより、金属薄膜11cの成分を溶融及び蒸発させて突起部20を形成した。パルスレーザ照射には、オムロン(株)製のMX-Z2000H(波長1062nm)を用いた。照射するパルスレーザのエネルギー密度が1.0~100J/cm2の範囲になるように、照射装置の周波数及び速度を調整した。用いたエネルギー密度の値は11種類であるため、11の異なる評価サンプルを得た。突起部20を形成した半導体素子11を用いて以下の評価を実施し、図7に評価結果をまとめた。なお、評価は実施の形態で説明した比較例についても行った。図7における比較例の評価結果は、エネルギー密度の値が0の欄に記載した。
<はんだ濡れ抑制>
はんだ濡れ抑制の評価について説明する。11種の半導体素子11の金属薄膜11c及び比較例の半導体素子110の金属薄膜110cの表面に予め定めた量のフラックスを滴下し、その上にはんだ箔(Sn-0.75Cu;千住金属工業製M20)を配置した。その後、260℃ではんだ箔を溶融させた。室温に戻してはんだを凝固させ、はんだ濡れ性評価用サンプルを得た。得られた各サンプルを顕微鏡で観察し、はんだ濡れ性を評価した。
はんだ濡れ抑制の評価について説明する。11種の半導体素子11の金属薄膜11c及び比較例の半導体素子110の金属薄膜110cの表面に予め定めた量のフラックスを滴下し、その上にはんだ箔(Sn-0.75Cu;千住金属工業製M20)を配置した。その後、260℃ではんだ箔を溶融させた。室温に戻してはんだを凝固させ、はんだ濡れ性評価用サンプルを得た。得られた各サンプルを顕微鏡で観察し、はんだ濡れ性を評価した。
評価において、はんだ13が突起部20の頂部までで止っているサンプルを〇とした。突起部20の頂部を通り越して保護膜11bまで達しているサンプルを×とした。エネルギー密度が5J/cm2以下の場合、はんだ濡れ性を抑制するために十分な突起部20が形成されず、はんだ13はレーザを照射した領域ではじかれなかった。しかしながら、このエネルギー密度のレーザを繰り返し照射することではんだの濡れ性を改善できることが見込まれる結果を得たため、5J/cm2以下の評価結果は△とした。エネルギー密度が10J/cm2以上の場合、突起部20が形成され、突起部20の頂部よりも外周側のはんだの濡れ性は抑制された。図8は、はんだ13のはじき効果が確認されたサンプルの断面SEM写真である。はんだ13の外周部が、突起部20の頂部で止められていることが確認できる。比較例については突起部20が形成されていないため、評価結果は×となった。
<半導体素子ダメージ>
半導体素子ダメージの評価について説明する。11種の半導体素子11の断面を電子顕微鏡で観察することにより、レーザの照射による半導体素子ダメージを評価した。半導体素子ダメージは、レーザを照射した箇所における金属薄膜11cの有無で判断した。評価において、突起部20に隣接して窪ませられた金属薄膜11cの部分(以下、凹部21と称す)の底が、金属薄膜11cに貫通していないサンプルを〇とした。凹部21の底が金属薄膜11cに貫通し、表面電極に達しているサンプルは×とした。図8において、凹部21の底は金属薄膜11cに貫通していない。レーザ照射により凹部21の底が金属薄膜11cに貫通して表面電極にダメージが生じると、後述する電気特性、及びその他の半導体素子の特性を損なう場合がある。半導体素子11の表面へのレーザ照射において、表面電極にダメージを与えないことが重要である。エネルギー密度が低い場合、はんだ濡れ性の評価結果とは逆に、半導体素子ダメージは確認されなかった。一方、エネルギー密度を85J/cm2以上にすると、凹部21の底が金属薄膜11cを貫通し表面電極まで達していることが確認された。比較例についてはレーザを照射していないため、評価結果は〇となった。
半導体素子ダメージの評価について説明する。11種の半導体素子11の断面を電子顕微鏡で観察することにより、レーザの照射による半導体素子ダメージを評価した。半導体素子ダメージは、レーザを照射した箇所における金属薄膜11cの有無で判断した。評価において、突起部20に隣接して窪ませられた金属薄膜11cの部分(以下、凹部21と称す)の底が、金属薄膜11cに貫通していないサンプルを〇とした。凹部21の底が金属薄膜11cに貫通し、表面電極に達しているサンプルは×とした。図8において、凹部21の底は金属薄膜11cに貫通していない。レーザ照射により凹部21の底が金属薄膜11cに貫通して表面電極にダメージが生じると、後述する電気特性、及びその他の半導体素子の特性を損なう場合がある。半導体素子11の表面へのレーザ照射において、表面電極にダメージを与えないことが重要である。エネルギー密度が低い場合、はんだ濡れ性の評価結果とは逆に、半導体素子ダメージは確認されなかった。一方、エネルギー密度を85J/cm2以上にすると、凹部21の底が金属薄膜11cを貫通し表面電極まで達していることが確認された。比較例についてはレーザを照射していないため、評価結果は〇となった。
<電気特性>
電気特性の評価について説明する。11種の半導体素子11及び比較例の半導体素子110について、電気特性の評価が可能な形態に実装、及び配線を実施し、絶縁性(リーク電流)評価用のサンプルを作製した。絶縁性評価用サンプルのコレクタ、エミッタ間に電圧を印加した評価において、リーク電流が確認されなかったサンプルを〇とした。リーク電流が確認されたサンプルは×とした。レーザ照射により表面電極が損傷することで絶縁性が破壊され、リーク電流が生じる。上述した半導体素子ダメージがあっても、電気特性が維持できているサンプルもあった。このようなサンプルは、若干の半導体素子ダメージがあっても絶縁性が維持できており、製品として裕度があったものと考えられる。エネルギー密度が85J/cm2以上ではレーザにより表面電極が大きく損傷したため、リーク電流が確認された。比較例についてはレーザを照射していないため、評価結果は〇となった。
電気特性の評価について説明する。11種の半導体素子11及び比較例の半導体素子110について、電気特性の評価が可能な形態に実装、及び配線を実施し、絶縁性(リーク電流)評価用のサンプルを作製した。絶縁性評価用サンプルのコレクタ、エミッタ間に電圧を印加した評価において、リーク電流が確認されなかったサンプルを〇とした。リーク電流が確認されたサンプルは×とした。レーザ照射により表面電極が損傷することで絶縁性が破壊され、リーク電流が生じる。上述した半導体素子ダメージがあっても、電気特性が維持できているサンプルもあった。このようなサンプルは、若干の半導体素子ダメージがあっても絶縁性が維持できており、製品として裕度があったものと考えられる。エネルギー密度が85J/cm2以上ではレーザにより表面電極が大きく損傷したため、リーク電流が確認された。比較例についてはレーザを照射していないため、評価結果は〇となった。
評価結果をまとめた図7より、半導体素子11に照射するレーザのエネルギー密度は1~80J/cm2以下が好ましく、10~80J/cm2以下がより好ましいことが確認された。レーザのエネルギー密度をこの範囲に設定することで、半導体装置10は、はんだ濡れ抑制、半導体素子ダメージ、及び電気特性について良好な結果を得ることができる。
また本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、1つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
10 半導体装置、11 半導体素子、11a 本体部、11b 保護膜、11c 金属薄膜、12 金属部材、13 はんだ、14 モールド樹脂、15 接合層、16 ヒートスプレッダ、20 突起部、21 凹部、100 半導体装置、110 半導体素子、110a 本体部、110b 保護膜、110c 金属薄膜、120 金属部材、130 はんだ、140 モールド樹脂、A 多重点
本願に開示される半導体装置は、板状に形成された本体部、本体部の一方の面における外周部に設けられた保護膜、及び本体部の一方の面における保護膜の内側に隣接して設けられた金属薄膜を有した半導体素子と、本体部とは反対側の金属薄膜の面に、はんだにより接合された金属部材と、半導体素子と金属部材とを封止するモールド樹脂とを備え、本体部とは反対側の金属薄膜の面における外周部の少なくとも一部は、金属薄膜の面から突出している突起部を有し、突起部の頂部よりも外周側にははんだが設けられておらず、突起部は、はんだが設けられた、本体部とは反対側の金属薄膜の平面部分の位置よりも金属薄膜の平面部分の法線方向に突出し、金属薄膜の突起部の表面の酸化膜の厚みは、突起部よりも内側の金属薄膜の部分の表面の酸化膜の厚みよりも厚いものである。
本願に開示される半導体装置の製造方法は、板状に形成された本体部、本体部の一方の面における外周部に設けられた保護膜、及び本体部の一方の面における保護膜の内側に隣接して設けられた金属薄膜を有した半導体素子と、半導体素子と外部とを接続する金属部材と、半導体素子と金属部材とを封止するモールド樹脂とを用意する部材用意工程と、本体部とは反対側の金属薄膜の面における外周部の少なくとも一部に、金属薄膜の面から突出している突起部を形成する突起部形成工程と、突起部の頂部よりも内側の金属薄膜の面に、はんだを介して金属部材を接合するはんだ付け工程と、半導体素子と金属部材とをモールド樹脂で封止する封止工程とを備え、突起部は、はんだが設けられた、本体部とは反対側の金属薄膜の平面部分の位置よりも金属薄膜の平面部分の法線方向に突出し、金属薄膜の突起部の表面の酸化膜の厚みは、突起部よりも内側の金属薄膜の部分の表面の酸化膜の厚みよりも厚い。
Claims (10)
- 板状に形成された本体部、前記本体部の一方の面における外周部に設けられた保護膜、及び前記本体部の一方の面における前記保護膜の内側に隣接して設けられた金属薄膜を有した半導体素子と、
前記本体部とは反対側の前記金属薄膜の面に、はんだにより接合された金属部材と、
前記半導体素子と前記金属部材とを封止するモールド樹脂と、を備え、
前記本体部とは反対側の前記金属薄膜の面における外周部の少なくとも一部は、前記金属薄膜の面から突出している突起部を有し、前記突起部の頂部よりも外周側にははんだが設けられていない半導体装置。 - 前記金属薄膜の前記突起部の表面の酸化膜の厚みは、前記突起部よりも内側の前記金属薄膜の部分の表面の酸化膜の厚みよりも厚い請求項1に記載の半導体装置。
- 前記突起部よりも外周側の前記突起部の底部の部分の前記金属薄膜の厚みは、前記突起部よりも内側の前記金属薄膜の厚みよりも小さい請求項1又は2に記載の半導体装置。
- 前記金属薄膜は、めっき膜である請求項1から3のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記めっき膜が、複数の層を有している請求項4に記載の半導体装置。
- 前記突起部は、前記金属薄膜の外周部において全周亘って形成されている請求項1から5のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記半導体素子は矩形板状であり、
前記突起部は、前記金属薄膜の外周部の角部に形成されている請求項1から5のいずれか1項に記載の半導体装置。 - 板状に形成された本体部、前記本体部の一方の面における外周部に設けられた保護膜、及び前記本体部の一方の面における前記保護膜の内側に隣接して設けられた金属薄膜を有した半導体素子と、前記半導体素子と外部とを接続する金属部材と、前記半導体素子と前記金属部材とを封止するモールド樹脂と、を用意する部材用意工程と、
前記本体部とは反対側の前記金属薄膜の面における外周部の少なくとも一部に、前記金属薄膜の面から突出している突起部を形成する突起部形成工程と、
前記突起部の頂部よりも内側の前記金属薄膜の面に、はんだにより前記金属部材を接合するはんだ付け工程と、
前記半導体素子と前記金属部材とを前記モールド樹脂で封止する封止工程と、を備えた半導体装置の製造方法。 - 前記突起部形成工程では、前記金属薄膜の面にレーザ光を照射し、前記レーザ光の照射部を窪ませ、窪ませられた前記金属薄膜の部材によって前記レーザ光の照射部よりも内側に前記突起部を形成する請求項8に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記レーザ光の照射強度は、エネルギー密度が80J/cm2以下である請求項9に記載の半導体装置の製造方法。
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