JP2024042491A - 半導体装置 - Google Patents

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adhesive
opening
semiconductor device
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明 佐橋
Akira Sahashi
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Sumitomo Electric Device Innovations Inc
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【課題】リフロー時の信頼性の低下を防止する。【解決手段】半導体装置１は、２つの主面４ａ，４ｂを貫通する開口７が形成され、絶縁材料を含んで構成された配線基板４と、配線基板４に対して、主面４ａ側から開口７を塞いで固定された金属ベース２と、金属ベース２の主面２ｂ上の開口７の内側に固定された半導体チップ３と、配線基板４の主面４ｂ上から、金属ベース２の主面２ｂ上の開口７の内側にかけて、半導体チップ３を覆って配置され、配線基板４と熱膨張係数が異なる材料からなる樹脂１３と、配線基板４の開口７の側面７ａ、及び金属ベース２の主面２ｂと、樹脂１３との間に配置された金属ペーストを含む接着剤１４と、を備え、接着剤１４は、金属ベース２の主面２ｂ上において、開口７の中心側から配線基板４の側面７ａにかけて、厚さが徐々に大きくなるように配置されている。【選択図】図１

Description

本開示は、半導体装置に関するものである。
特許文献１には、金属基板と、金属基板にＡｇペーストを介して接合され、中央部に半導体回路素子を収納する開口部を設けた回路基板と、半導体回路素子と回路基板上の導体回路層とを接続するボンディングワイヤと、半導体回路素子と回路基板とを封止したポッティング樹脂封止体と、を備える半導体装置が記載されている。このような半導体装置の構造によれば、半導体回路素子実装の作業性を向上できる。
特開平９－２７５６３号公報
上述した従来の半導体装置では、金属基板上に熱膨張係数が異なる回路基板と樹脂とが配置されているため、温度上昇時に樹脂に生じる熱応力が問題になる場合がある。そのため、リフロー時における樹脂の剥離による半導体装置の信頼性の低下を防止することが求められる。
本開示は、リフロー時の信頼性の低下を防止することが可能な半導体装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本開示の一側面に係る半導体装置は、第１の主面及び第２の主面を有し、第１の主面から第２の主面に貫通する開口が形成され、絶縁材料を含んで構成された配線基板と、配線基板に対して、第２の主面側から開口を塞いで固定された金属基板と、金属基板の配線基板側の主面上の開口の内側に固定された半導体チップと、配線基板の第１の主面上から、金属基板の主面上の開口の内側にかけて、半導体チップを覆って配置され、配線基板と熱膨張係数が異なる材料からなる樹脂と、配線基板の開口を規定する側面、及び金属基板の主面と、樹脂との間に配置された金属ペーストを含む接着剤と、を備え、接着剤は、金属基板の主面上において、開口の中心側から配線基板の側面にかけて、厚さが徐々に大きくなるように配置されている。
本開示によれば、リフロー時の信頼性の低下を防止することができる。
本開示の一実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。 図１の半導体装置の要部を示す平面図である。 図２のIII-III線に沿った断面図である。 比較例に係る半導体装置の構成を示す断面図である。 図４の半導体装置の要部を示す平面図である。 比較例において、樹脂、配線基板、及び金属ベースに発生する熱応力の様子を示す配線基板の厚み方向に沿った断面図である。
本開示の第１側面に係る半導体装置は、第１の主面及び第２の主面を有し、第１の主面から第２の主面に貫通する開口が形成され、絶縁材料を含んで構成された配線基板と、配線基板に対して、第２の主面側から開口を塞いで固定された金属基板と、金属基板の配線基板側の主面上の開口の内側に固定された半導体チップと、配線基板の第１の主面上から、金属基板の主面上の開口の内側にかけて、半導体チップを覆って配置され、配線基板と熱膨張係数が異なる材料からなる樹脂と、配線基板の開口を規定する側面、及び金属基板の主面と、樹脂との間に配置された金属ペーストを含む接着剤と、を備え、接着剤は、金属基板の主面上において、開口の中心側から配線基板の側面にかけて、厚さが徐々に大きくなるように配置されている。
上記第１側面は、半導体チップが金属基板の主面上の配線基板の開口の内側に固定され、かつ、配線基板の主面から金属基板の主面上の開口の内側にかけて半導体チップごと樹脂で覆われた構成を有し、配線基板の開口の側面及び金属基板の主面と樹脂の間には金属ペーストを含む接着剤が配置され、この接着剤は開口の中心側から配線基板の開口の側面にかけて徐々に厚くなるように構成されている。このような構成により、リフローの際に配線基板の膨張係数が樹脂と異なっていることに起因して配線基板と樹脂との間に生じる熱応力を分散することができ、リフロー時の樹脂の剥離の発生による信頼性の低下を防止することができる。
本開示の第２側面に係る半導体装置は、上記第１側面において、接着剤は、配線基板の側面における配線基板の厚さ方向の厚さが、配線基板の厚さの２分の１以上となるように配置されている、というものである。この場合、接着剤と配線基板との接触面積が確保されるため、配線基板と樹脂との間で生じる熱応力をさらに分散することができ、リフロー時の信頼性の低下を確実に防止することができる。
また、本開示の第３側面に係る半導体装置は、上記第１側面または上記第２側面において、配線基板の熱膨張係数は、樹脂の熱膨張係数の２倍以上である、というものである。このように配線基板と樹脂との間で熱膨張係数の違いが大きい場合であっても、リフロー時の樹脂の剥離の発生による信頼性の低下を防止することができる。
また、本開示の第４側面に係る半導体装置は、上記第１側面から上記第３側面までのいずれかにおいて、接着剤は、配線基板の側面における第１の主面側の端点と、金属基板の主面上の開口の中心側の端点とを結ぶ線が、金属基板の主面に対して４５度以下とされている、というものである。かかる構成により、接着剤の金属基板との接触面積が十分に大きくされ、配線基板の厚み方向における配線基板及び樹脂の熱膨張に起因する熱応力の分散効果を十分に得ることができるとともに、配線基板の熱膨張に対する機械的強度を確保することができる。その結果、半導体装置の信頼性をより高めることができる。
また、本開示の第５側面に係る半導体装置は、上記第１側面から上記第４側面までのいずれかにおいて、金属基板の主面上には、金、銀、銅、鉄、亜鉛、及び錫のいずれかを含む金属材料からなる金属膜が設けられている、というものである。この場合、半導体チップと金属基板との接着の強度を向上させることができる。
また、本開示の第６側面に係る半導体装置は、上記第１側面から上記第５側面までのいずれかにおいて、金属基板の配線基板側の主面上の開口の内側に金属ペーストを含む接着剤とは異なる別の接着剤を、さらに備え、接着剤と別の接着剤とは、金属基板の主面上において離間している、というものである。かかる構成によれば、接着剤の硬化の過程で半導体チップの位置ずれが発生することを防止でき、半導体チップの実装精度を高めることができる。
また、本開示の第７側面に係る半導体装置は、上記第１側面から上記第６側面までのいずれかにおいて接着剤と別の接着剤とは、同一材料である、というものである。このような場合であっても、リフロー時の樹脂の剥離の発生による信頼性の低下を防止することができる。
また、本開示の第８側面に係る半導体装置は、上記第１側面から上記第７側面までのいずれかにおいて、接着剤と別の接着剤は、金、銀、銅、ニッケル、及びアルミニウムのいずれかを含む金属ペーストを含む、というものである。かかる構成を採れば、樹脂と接着剤及び別の接着剤との密着強度を高めることができ、リフロー時の樹脂の剥離の発生による信頼性の低下を防止することができる。
また、本開示の第９側面に係る半導体装置は、上記第１側面から上記第８側面までのいずれかにおいて、配線基板は、エポキシ系材料、フッ素系材料、ポリフェニレンオキシド系材料、及び、フェニール系材料のいずれかを含み、樹脂は、エポキシ系材料及びシリコン系材料のいずれかを含む、というものである。かかる構成においても、リフロー時の樹脂の剥離の発生による信頼性の低下を防止することができる。
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
（半導体装置の構成）
図１は、本開示の一実施形態に係る半導体装置１の構成を示す断面図である。この半導体装置１は、例えば、Massive MIMO（MultipleInput Multiple Output）方式の無線基地局用の通信モジュールに内蔵される半導体装置である。
図１に示すように、半導体装置１は、金属ベース（金属基板）２と、金属ベース２に搭載された半導体チップ３と、金属ベース２に重ね合わせて固定された配線基板４と、配線基板４上に形成された回路パターン５と、配線基板４上に回路パターン５を介して搭載された回路素子６と、半導体装置１全体を封止する樹脂１３とを備える。配線基板４の中央部には金属ベース２まで貫通する開口７が形成され、半導体チップ３は、金属ベース２上の開口７の内側に配置されている。
金属ベース２は、例えば、銅（Ｃｕ）、銅を含む合金、アルミニウム（Ａｌ）、又は、鉄（Ｆｅ）を含む合金によって構成され、略矩形の平板形状を有する。金属ベース２の表面及び裏面には、表面の酸化防止、および導電ペーストとの金属結合による導電性の確保のために金（Ａｕ）等のメッキが施されていてもよい。例えば、金属ベース２に、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、及び金の膜をこの順で形成し、その上に金メッキ８が施されていてもよい。金メッキ８は、少なくとも、金属ベース２の配線基板４側の主面２ｂ上の開口７の内側の面全体に形成されている。金メッキ８の代わりに、銀（Ａｇ）、銅、鉄、亜鉛（Ｚｎ）、あるいは、錫（Ｓｎ）を含む金属が用いられてもよい。また、金属ベース２の端部には、配線基板４上の回路パターン５と電気的に接続される接続端子２ａが形成されている。
配線基板４は、例えば、エポキシ系の樹脂材料、フッ素系の樹脂材料、ポリフェニレンオキシド（ＰＰＯ）系の樹脂材料、あるいは、フェニール系の樹脂材料等の絶縁材料を含んで構成され、金属ベース２側の主面（第２の主面）４ａとその反対側の主面（第１の主面）４ｂを含む略矩形の平板形状を有する。この配線基板４には、金属ベース２の主面２ｂ上の中央部において、主面４ｂから主面４ａに貫通する略矩形の開口７が形成されている。つまり、金属ベース２が開口７を主面４ａ側から塞ぐように固定されている。その結果、開口７の側面７ａにより、金属ベース２の主面２ｂ上に半導体チップ３を搭載するための空間が規定される。また、配線基板４の主面４ｂ上には銅等の金属によって形成される回路パターン５が設けられており、回路パターン５上には金メッキ等の金属メッキ９が施されている。また、配線基板４の主面４ｂ上の回路パターン５上には、表面実装部品である回路素子６が搭載されている。この回路素子６は、はんだ１０を介して回路パターン５に電気的に接続される。さらに、配線基板４には、接続端子２ａと回路パターン５とを電気的に接続するためのビア１１が複数設けられている。
半導体チップ３は、例えば、炭化シリコン（ＳｉＣ）の基板（図示しない）上に窒化ガリウム（ＧａＮ）を主成分とする高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を含む集積回路である。半導体チップ３は、金属ベース２の主面２ｂ上の開口７の内側の中央部に、金メッキ８を介して、第１の接着剤（別の接着剤）１２によって接着および固定されている。第１の接着剤１２には、銀ペーストが用いられている。ただし、第１の接着剤１２には、例えば、金、銅、ニッケル、又はアルミニウムなどの他の金属を含む金属ペーストが用いられてもよい。また、第１の接着剤によって接着される代わりに、半導体チップ３は、金メッキ８と半導体チップ３の基板との共晶反応によって接着されていても良い。さらに、半導体チップ３は、金ワイヤ等の金属ワイヤ１５によって、配線基板４上の回路パターン５と電気的に接続される。
樹脂１３は、配線基板４の主面４ｂ上から、金属ベース２の主面２ｂ上の開口７の内側にかけて、回路パターン５、回路素子６、及び半導体チップ３を覆うように配置された封止用部材である。例えば、樹脂１３としては、エポキシ系の樹脂材料が用いられる。ただし、樹脂１３として、シリコン系の樹脂材料が用いられてもよい。樹脂１３の熱膨張係数は、配線基板４の熱膨張係数と異なっており、具体的には、配線基板４の熱膨張係数よりも小さく、好ましくは配線基板４の熱膨張係数の１／２以下とされている。例えば、樹脂１３としてエポキシ系の樹脂材料が用いられた場合は、樹脂１３のガラス転移点以上における厚み方向の熱膨張係数は、約４０［ppm/K］であり、配線基板４としてガラスエポキシ材を用いた場合の配線基板４のガラス転移点以上における厚み方向の熱膨張係数の約２４０［ppm/K］よりも小さい。樹脂１３は、開口７の側面７ａから側面７ａ側の主面２ｂにかけて、第２の接着剤（接着剤）１４を挟んで接着・配置されている。第２の接着剤１４には、銀ペーストが用いられている。ただし、第２の接着剤１４には、例えば、金、銅、ニッケル、又はアルミニウムなどの他の金属を含む金属ペーストが用いられてもよい。
以下、図２及び図３を参照して、金属ベース２の主面２ｂ上の第１の接着剤１２及び第２の接着剤１４の配置状態について詳述する。図２は、図１の半導体装置１の要部の平面図であり、図３は、図２のIII-III線に沿った断面図である。
第１の接着剤１２は、金属ベース２の主面２ｂと半導体チップ３との間に挟まれて配置されている。そして、主面２ｂに沿った方向の第１の接着剤１２の縁部は開口７に沿った略矩形とされている。
第２の接着剤１４は、開口７を規定する側面７ａから、側面７ａと略垂直に延在する主面２ｂ上の金メッキ８にかけて、開口７に沿って均一な厚さとなるようにそれらと密着して配置される。この第２の接着剤１４は、主面２ｂに沿った方向の半導体チップ３側の縁部が開口７に沿った略矩形とされ、その縁部は主面２ｂ上において第１の接着剤１２の縁部に対して少なくとも０．１ｍｍ以上でほぼ一定間隔で離間している。第２の接着剤１４の側面７ａ及び主面２ｂに対して垂直に切った方向の断面形状（図３参照）は、開口７で規定される空間の中心側から側面７ａにかけて厚さが徐々に大きくなり、且つ、主面２ｂ側に湾曲した形状とされている。また、上記断面形状の側面７ａにおける配線基板４の厚さ方向の厚さは、配線基板４の厚さの１／２以上とされる。さらには、第２の接着剤１４は、上記断面形状において、開口７で規定される空間の中心側の端点１４ａと側面７ａにおける主面４ｂ側の端点１４ｂと、を結ぶ線Ｌ１が、主面２ｂに対して４５度以下の傾きを有するような形状とされる。また、好ましくは、第２の接着剤１４の主面２ｂ上の金メッキ８との接触面積は、側面７ａとの接触面積よりも大きくされる。
このような構成の第２の接着剤１４は、ディスペンサーまたはインクジェット印刷によって側面７ａに沿って塗布することにより配置される。第２の接着剤１４の上述したフィレット形状は表面張力によって形成される。
（半導体装置の作用効果）
以上説明した半導体装置１の構成によれば、半導体チップ３が金属ベース２の主面２ｂ上の配線基板４の開口７の内側において金属ペーストを含む第１の接着剤１２によって固定され、かつ、配線基板４の主面４ｂから金属ベースの主面２ｂ上の開口７の内側にかけて半導体チップ３ごと樹脂１３で封止された構成を有し、配線基板４の開口７の側面７ａ及び金属ベース２の主面２ｂと樹脂１３の間には金属ペーストを含む第２の接着剤１４が配置され、この第２の接着剤１４は開口７の中心側から配線基板４の開口７の側面７ａにかけて徐々に厚くなるように構成されている。このような構成により、リフローの際に配線基板４の膨張係数が樹脂１３と異なっていることに起因して配線基板４と樹脂１３との間に生じる熱応力を分散することができ、リフロー時の樹脂１３の剥離の発生による信頼性の低下を防止することができる。
上記の作用効果を、比較例と比較しつつ詳述する。図４は、比較例に係る半導体装置の構成を示す断面図であり、図５は、図４の半導体装置の要部を示す平面図であり、図６は、比較例において、樹脂、配線基板、及び金属ベースに発生する熱応力の様子を示す配線基板の厚み方向に沿った断面図である。比較例に係る半導体装置９０１は、第２の接着剤１４が配置されていない点で実施形態に係る半導体装置１と異なる。
半導体装置９０１においては、配線基板４と樹脂１３との間の熱膨張係数の差によって熱応力が発生し、リフロー（熱衝撃）の際に配線基板４の開口７に熱応力が集中する。すなわち、配線基板４の熱膨張係数が比較的大きく、樹脂１３の熱膨張係数が比較的小さいために、側面７ａに沿って樹脂１３側には金属ベース２から離れる方向に持ち上げられる剪断応力Ｆ１が発生し、樹脂１３が持ち上げられることによって金メッキ８の表面には引張応力Ｆ２が発生し、配線基板４には側面７ａに沿って熱膨張を抑える向きに剪断応力Ｆ３が発生する（図６）。また、金メッキ８は物性上樹脂１３との親和性が低い。そのため、リフロー時に開口７の近傍において熱応力が集中し、金メッキ８と樹脂１３との間に剥離が発生しやすく、半導体チップ３の上まで剥離が進展することによって信頼性が低下する。
これに対して、半導体装置１の構成によれば、熱応力の集中する開口７の側面７ａ近傍に第２の接着剤１４を塗布・硬化することにより、樹脂１３の食いつきを改善することができる。すなわち、第２の接着剤１４として銀ペーストが用いられているため金メッキ８よりも樹脂の食いつきがよい。また、第２の接着剤１４と金メッキ８との密着強度も樹脂１３と金メッキ８との密着強度よりも大きい。さらに、応力の集中する側面７ａに第２の接着剤によって傾斜を付けることにより、熱応力の集中を緩和できる。その結果、本実施形態では、応力の集中による側面７ａ近傍における樹脂１３の主面２ｂからの剥離を効果的に防止することができる。
また、本実施形態においては、第２の接着剤１４は、配線基板４の側面７ａにおける配線基板４の厚さ方向の厚さが、配線基板４の厚さの２分の１以上となるように配置されている。この場合、第２の接着剤１４と配線基板４との接触面積が確保されるため、配線基板４の側面７ａと樹脂１３との間での密着性の改善効果を十分に確保することができ、リフロー時の信頼性の低下を確実に防止することができる。
また、本実施形態においては、第２の接着剤１４は、端点１４ａと端点１４ｂとを結ぶ線が金属ベース２の主面２ｂに対して４５度以下とされている。かかる構成により、第２の接着剤１４の金属ベース２との接触面積が十分に大きくされ、配線基板４の厚み方向における配線基板４及び樹脂１３の熱膨張に起因する熱応力の分散効果を十分に得ることができるとともに、配線基板４の熱膨張に対する機械的強度を確保することができる。その結果、半導体装置１の信頼性をより高めることができる。
また、本実施形態では、第２の接着剤１４の金メッキ８との接触面積が金属ベース２との接触面積よりも大きくされている。これにより、樹脂１３の開口７近傍における剥離を、熱応力の分散によって効果的に防止することができ、信頼性をさらに向上できる。
また、本実施形態においては、金属ベース２の主面２ｂ上には、金メッキ８等の金属膜が設けられている。このような構成により、半導体チップ３と金属ベース２との第１の接着剤１２を用いた接着の強度を向上させることができる。また、半導体チップ３と金属ベース２との間の導電性も確保することができる。加えて、第１の接着剤１２として例えば銀ペーストを用い、金属ベース２として銅を含む金属を用いた場合は、第１の接着剤１２を直接金属ベース２に密着させると金属ベース２が酸化して両者の密着性が低下することがあるが、金メッキ８を介することによりそのような事態を防ぐことができる。
また、本実施形態では、第１の接着剤１２と第２の接着剤１４とは、金属ベース２の主面２ｂ上において離間している。このような構成により、第２の接着剤１４の硬化の過程で第２の接着剤１４の粘度が下がった際に半導体チップ３の位置ずれが発生することを防止でき、半導体チップ３の実装精度を高めることができる。
また、本実施形態では、第２の接着剤１４が開口７に沿った方向に均一に配置されている。そのため、開口７の一部の側面７ａに熱応力が集中することを防止でき、半導体装置１の信頼性をより高めることができる。
以上、好適な実施の形態において本開示の原理を図示し説明してきたが、本開示は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本開示は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
上記実施形態における第１の接着剤１２及びは第２の接着剤１４としては、樹脂を含む金属ペーストが用いられてもよい。このようにすれば、主面２ｂ上の金メッキ８と樹脂１３との密着強度、配線基板４と樹脂１３との密着強度の両方を確保することができ、半導体装置１の信頼性をより高めることができる。
１，９０１…半導体装置
２…金属ベース（金属基板）
２ａ…接続端子
２ｂ…主面
３…半導体チップ
４…配線基板
４ａ…主面（第２の主面）
４ｂ…主面（第１の主面）
５…回路パターン
６…回路素子
７…開口
７ａ…側面
８…金メッキ
９…金属メッキ
１０…はんだ
１１…ビア
１２…第１の接着剤（別の接着剤）
１４…第２の接着剤（接着剤）
１３…樹脂
１４ａ，１４ｂ…端点
１５…金属ワイヤ
Ｆ１，Ｆ３…剪断応力
Ｆ２…引張応力
Ｌ１…線

Claims (9)

  1. 第１の主面及び第２の主面を有し、前記第１の主面から前記第２の主面に貫通する開口が形成され、絶縁材料を含んで構成された配線基板と、
    前記配線基板に対して、第２の主面側から前記開口を塞いで固定された金属基板と、
    前記金属基板の前記配線基板側の主面上の前記開口の内側に固定された半導体チップと、
    前記配線基板の前記第１の主面上から、前記金属基板の前記主面上の前記開口の内側にかけて、前記半導体チップを覆って配置され、前記配線基板と熱膨張係数が異なる材料からなる樹脂と、
    前記配線基板の前記開口を規定する側面、及び前記金属基板の前記主面と、前記樹脂との間に配置された金属ペーストを含む接着剤と、
    を備え、
    前記接着剤は、前記金属基板の前記主面上において、前記開口の中心側から前記配線基板の前記側面にかけて、厚さが徐々に大きくなるように配置されている、
    半導体装置。
  2. 前記接着剤は、前記配線基板の前記側面における前記配線基板の厚さ方向の厚さが、前記配線基板の厚さの２分の１以上となるように配置されている、
    請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記配線基板の熱膨張係数は、前記樹脂の熱膨張係数の２倍以上である、
    請求項１に記載の半導体装置。
  4. 前記接着剤は、前記配線基板の前記側面における前記第１の主面側の端点と、前記金属基板の前記主面上の前記開口の中心側の端点とを結ぶ線が、前記金属基板の前記主面に対して４５度以下とされている、
    請求項１に記載の半導体装置。
  5. 前記金属基板の主面上には、金、銀、銅、鉄、亜鉛、及び錫のいずれかを含む金属材料からなる金属膜が設けられている、
    請求項１に記載の半導体装置。
  6. 前記金属基板の前記配線基板側の主面上の前記開口の内側に金属ペーストを含む前記接着剤とは異なる別の接着剤を、さらに備え、
    前記接着剤と前記別の接着剤とは、前記金属基板の前記主面上において離間している、
    請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の半導体装置。
  7. 前記接着剤と前記別の接着剤とは、同一材料である、
    請求項６に記載の半導体装置。
  8. 前記接着剤と前記別の接着剤とは、金、銀、銅、ニッケル、及びアルミニウムのいずれかを含む金属ペーストを含む、
    請求項６に記載の半導体装置。
  9. 前記配線基板は、エポキシ系材料、フッ素系材料、ポリフェニレンオキシド系材料、及び、フェニール系材料のいずれかを含み、前記樹脂は、エポキシ系材料及びシリコン系材料のいずれかを含む、
    請求項１に記載の半導体装置。
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