JP5946286B2 - Power semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明はパワー半導体装置及びその製造方法、特にパワー半導体素子を金属リードフレームへ接合させる構造を持ち、高放熱性、環境性及びオーディオ信号の伝送特性に優れた半導体装置に関する。 The present invention relates to a power semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more particularly to a semiconductor device having a structure in which a power semiconductor element is bonded to a metal lead frame and having excellent heat dissipation, environmental friendliness, and audio signal transmission characteristics.
従来から、家電機器、OA機器、音響機器等の電源には、ダイオードやトランジスタ等のパワー(電力制御用)半導体装置が用いられており、このパワー半導体装置は、例えば図11のような構造となっている。図11のパワー半導体装置では、パワー半導体素子1の裏面電極を半田(接合材)2を用いて比較的大きな面積の金属リードフレーム3へ固着させ、この金属リードフレーム3の内部リード部4とパワー半導体素子1の表面電極を金属線5により接続し、全体を樹脂6にて封止する構成とされ、上記金属リードフレーム3には外部電極7a、内部リード部4には外部電極7bが接続される。また、上記金属リードフレーム3の端部には、金属リードフレーム3と樹脂6を共に貫通する取付け用の孔8が形成されている。近年、上記金属線5として、パワー半導体素子1の大電流化及びコストダウンの要求を受け、200〜500μm径のアルミニウム線が用いられている。
Conventionally, power (power control) semiconductor devices such as diodes and transistors have been used as power sources for home appliances, OA devices, acoustic devices, and the like. It has become. In the power semiconductor device of FIG. 11, the back electrode of the
また、従来では、更なる高放熱性の実現に向け、例えば下記特許文献1(特開2006−66813号公報)に示されるように、パワー半導体素子を導電性金属部材で挟み込む構造とし、この金属部材を放熱板として利用する方法も提案されている。 Conventionally, in order to achieve further high heat dissipation, for example, as shown in Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-66813), a power semiconductor element is sandwiched between conductive metal members. A method of using a member as a heat sink has also been proposed.
一方、オーディオ及び各種通信用装置に関しては、下記特許文献2(特開平10−189851号公報)のダイオード、或いはトランジスタ、FET等が用いられるが、これらにおいて、高音質特性を向上させるためには、半導体素子を配置するリードフレームに無酸素銅材が有効であることが示されている。この特許文献2では、上記半導体素子の無酸素銅材リードフレームへの接合は、導電性・熱伝導性に優れた半田を用いることが前提とされている。
On the other hand, for audio and various communication devices, the diode, transistor, FET, or the like of the following Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 10-189851) is used. In order to improve the high sound quality characteristics, It has been shown that an oxygen-free copper material is effective for a lead frame in which a semiconductor element is arranged. In this
また、上記パワー半導体素子1自体の製造では、ウェハー(集合基板)内にパワー半導体回路を複数個形成し、この集合基板の切削ラインに沿ってブレードを高速回転させながら切削すること(ダイシング法)により、個々のパワー半導体素子1が製作される。このダイシング作業は、通常ダイシングテープと呼ばれる粘着テープに貼り付けて行うが、このパワー半導体素子1の搬送の際には、粘着テープの粘着力をUV照射などによって低下させた後、突上げ針(金属針)をテープ側よりパワー半導体素子1を突き上げることによって、パワー半導体素子1がテープ側より剥がされた状態となり、その後、このパワー半導体素子1は、吸着孔を有する円柱形のコレットと呼ばれるツールによって容易に吸着保持される。
Further, in the manufacture of the
更に、パワー半導体素子1と金属リードフレーム3の接合では、金属リードフレーム3が半田2の融点温度+30℃〜50℃程度に加熱され、半田2が金属リードフレーム3上で加熱溶融される。この接合作業において、半田2や金属リードフレーム3の接触界面で酸化現象が生じると、半田2の金属リードフレーム3への濡れ性が著しく阻害され、パワー半導体素子1の接合強度が低下すると共に、半田2の内部のボイド発生やこれによるパワー半導体素子1への応力集中、電気伝導度や熱伝導度の低下及び接合信頼性が著しく低下し、半田2のクラックも発生する等、様々な不具合が生じるため、この作業環境を窒素ガス(N2)雰囲気中や(窒素+水素)ガスの還元性雰囲気中とすることにより、酸素の影響を排除することが重要となっている。
Further, in joining the
ところで、一般に、オーディオ用のスピーカーケーブルは銅線が使用され、その中でも無酸素銅(OFC)が良いとされ、パワー半導体装置用の高音質向けに開発された金属リードフレーム(3)においても、特許文献2のように無酸素銅を使用することが提案され、実際にも、図11に示す構造のダイオードを作製し、オーディオアンプの電源回路に用いた結果、優れた音質向上効果があることが感性的に得られている。
By the way, in general, copper wires are used for speaker cables for audio, and among them, oxygen-free copper (OFC) is good, and in metal lead frames (3) developed for high sound quality for power semiconductor devices, It has been proposed to use oxygen-free copper as in
しかしながら、従来では、図11のようにパワー半導体素子1とリードフレーム3を接続する接合材として半田が用いられており、オーディオ用のパワー半導体装置では音質の更なる向上が図れず、その他の用途を含めた全体のパワー半導体装置においても、無酸素銅の軟化により組立工程の自動化が妨げられたり、ボイドの発生、部材酸化、接合部厚みの不均一等により接合強度のバラツキが発生したりする等の問題があった。
However, conventionally, solder is used as a bonding material for connecting the
即ち、銅線の比抵抗値は17.2nΩ・m(20℃、以下同様)と低く、銀の16.3nΩ・mに次ぐ低さであり、金線の比抵抗値も24.0nΩ・mと低いのに対し、半田接合材は、錫鉛系のSnPb共晶半田で比抵抗値が約100nΩ・mとなり、金、銀、銅等と比較すると、4〜5倍程高い数値になる。 That is, the specific resistance value of the copper wire is as low as 17.2 nΩ · m (20 ° C., the same applies hereinafter), the second lowest after 16.3 nΩ · m of silver, and the specific resistance value of the gold wire is also 24.0 nΩ · m. On the other hand, the solder bonding material is a tin-lead SnPb eutectic solder and has a specific resistance value of about 100 nΩ · m, which is about 4 to 5 times higher than that of gold, silver, copper or the like.
また、熱伝導率で比較しても、図11のように、無酸素銅とした金属リードフレーム3にパワー半導体素子1を実装する際に、半田2を使用した場合、錫鉛系のSnPb共晶半田の場合、50W/(m・K)程度であるが、金では熱伝導率が295W/(m・K)となり、格段の差がある。このように、半田2は比抵抗値が高く、熱伝導率も小さいことから、オーディオ用において音質の向上を図るための接合素材としては好ましくない。
Further, even when compared with thermal conductivity, when
更に、パワー半導体素子1と金属リードフレーム3の接合に半田2を用いる場合、半田2を融点以上(融点温度+30℃〜50℃)に加熱することや、雰囲気ガスによる酸素の遮蔽性や構成材料の保管性等の様々な問題により、半田2の金属リードフレーム3やパワー半導体素子1に対する必要な濡れ性が確保されず、ボイドの発生が生じ、このボイドの局在化や過大な発生がパワー半導体素子1に与える応力ばらつきにより、接合強度等の特性に重大な影響を与え、熱伝導性のばらつきの要因ともなるという問題があった。また、各部材の酸化等の影響により、接合強度自体にばらつきが生じることもあり、これによっても、電気抵抗や半導体素子からの熱拡散のばらつきが生じる。
Further, when the
一般に、パワー半導体素子1及び金属リードフレーム3の線膨張係数の違いから、金属リードフレーム3からの応力を緩和するため、半田層の厚みは10μm以上確保されることが一般的であるが、半田2が溶融された状態でこの厚みを一定(均一)に制御することは極めて困難である。更に、鉛が含まれる半田2は、環境影響の配慮から禁止されるリスクがあり、様々な代替半田が検討されているものの、鉛を排除した場合は半田材に要求される特性の悪化が懸念される。
Generally, in order to relieve stress from the
上記の半田材の不都合は、図11のようにパワー半導体素子1の電極面を金属線5で結合するものではなく、特許文献1の挟み込み構造ように、パワー半導体素子1の表裏電極と金属部材との接合に半田を用いる場合にも同様に生じる。
The inconvenience of the above solder material is not that the electrode surfaces of the
更に、図11に示すパワー半導体素子1の表面電極と内部リード部4を接続する金属線5として、アルミニウム(Al)線を用いた場合、その比抵抗値が28.2nΩ・m(20℃)と比較的小さな値ではあるが、銅線と比較すると1.5倍以上高い数値となる。この結果、アルミニウム線で抵抗値を下げるためには、銅線よりも線径の引き上げが必要となる。近年、パワー半導体素子1として低オン抵抗として有利な炭化珪素(SiC)を基板とした高価な素子が提案されているが、アルミニウム線の線径に通常市販される0.5mmΦを使用する場合、その接合部位は線径の3倍程度が必要となるため、パワー半導体素子1は1辺が2mm以上となる大きなサイズが必要となる。
Further, when an aluminum (Al) wire is used as the
また、アルミニウムの線膨張係数は23.5ppmであり、銅は17.0ppmと小さく、炭化珪素(SiC)は4.1ppm程度で、シリコンについても2.8ppm程度と小さく、アルミニウムとの差が銅と比較して大きい。このことは、−65℃〜150℃の温度サイクル試験を実施した場合、アルミニウム線を使用したパワー半導体装置は、パワー半導体素子1の結合部からクラックが成長するため銅線と比較して寿命が短いという問題もある。
Also, the linear expansion coefficient of aluminum is 23.5 ppm, copper is as small as 17.0 ppm, silicon carbide (SiC) is about 4.1 ppm, and silicon is also as small as about 2.8 ppm, and the difference from aluminum is copper. Big compared to. This means that when a temperature cycle test at −65 ° C. to 150 ° C. is performed, the power semiconductor device using the aluminum wire has a life longer than that of the copper wire because cracks grow from the joint portion of the
更に、金属リードフレーム3に無酸素銅を使用する場合、この無酸素銅の軟化温度が通常200℃程度であり、パワー半導体素子1と金属リードフレーム3の実装に半田2を使用すると、半田2の融点にプラス30℃〜50℃の作業温度が必要であることから、作業温度は250〜300℃程度の高温となり、無酸素銅が軟化してしまう。従って、その後のプロセスの作業が困難となり、組立工程の自動化が妨げられるという問題がある。
Further, when oxygen-free copper is used for the
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、接合材として半田を使用することなく、音響機器用では音質の向上を図り、その他の用途を含めたパワー半導体装置においては、ボイド発生、部材酸化又は接合部の厚みの不均一等による接合強度のバラツキの発生等をなくすことができ、また無酸素銅の軟化による組立工程の自動化が妨げられることのないパワー半導体装置及びその製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and its purpose is to improve the sound quality for acoustic equipment without using solder as a bonding material, and in a power semiconductor device including other uses. A power semiconductor device capable of eliminating the occurrence of voids, member oxidation or unevenness in joining strength due to uneven thickness of the joint, and the like, and preventing the automation of the assembly process due to softening of oxygen-free copper, and It is in providing the manufacturing method.
上記目的を達成するために、請求項1に係る発明は、表裏面に電極が形成されたパワー半導体素子と、このパワー半導体素子を接合し、かつ放熱板としても機能する金属リードフレームとを設け、この金属リードフレームの一部を放熱のために露出させながら全体を樹脂封止してなるパワー半導体装置において、上記金属リードフレームに高純度(99.99%)の無酸素銅を用い、上記パワー半導体素子の基板に炭化珪素を用い、かつ該パワー半導体素子の表面電極としてチタン膜の上にアルミニウム膜を形成し、このパワー半導体素子の表面電極を上記金属リードフレームの内部リードに銅線にて接合する構成とし、上記パワー半導体素子の裏面電極として形成された金膜又は銀膜の上に、高純度(99.99%)の金又は銅からなる金属バンプを介して、上記金属リードフレームを接合してなることを特徴とする。
To achieve the above object, the invention according to
請求項2に係る発明は、表裏面に電極が形成されたパワー半導体素子を設け、このパワー半導体素子を金属リードフレームに接合するパワー半導体装置の製造方法において、上記パワー半導体素子の表面電極としてチタン膜の上にアルミニウム膜を形成し、このパワー半導体素子の表面電極を上記金属リードフレームの内部リードに銅線にて接合し、上記パワー半導体素子の表面電極又は裏面金属膜、又は上記金属リードフレームに、半田材でない金属バンプを形成し、上記パワー半導体素子の金属バンプを形成しない面の外周に、弾性体からなる凸部を設けると共に、上記金属リードフレームの金属バンプの形成又は圧接位置(半導体素子にバンプ形成する場合とリードフレームに形成する場合の両方)に予め窪みを設け、上記パワー半導体素子を金属バンプが配置されない面から加圧しながら、超音波振動を与えることにより、上記パワー半導体素子と上記金属リードフレームとを接合することを特徴とする。
請求項3の発明は、複数のパワー半導体素子が形成された集合基板の各パワー半導体素子に金属バンプを形成した後、この集合基板を切削することで、個々のパワー半導体素子を製作するとき、個々のパワー半導体素子の金属バンプ形成面の外周に、各パワー半導体素子間の境界を識別する隙間を残した状態で、弾性体からなる凸部を設けたことを特徴とする。
Invention, a power semiconductor element electrodes on the front and back surface is formed provided a method of manufacturing a power semiconductor device for joining the power semiconductor element on a metal lead frame, titanium as the surface electrodes of the power semiconductor device according to
Invention 請
請求項4の発明は、上記パワー半導体素子の上記金属バンプが配置されない面で、搬送時(剥離時)に金属針により突き上げられる部分に、弾性体を設けたことを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, an elastic body is provided on a portion of the power semiconductor element on which the metal bumps are not disposed and which is pushed up by a metal needle during transportation (peeling) .
請求項1,2のパワー半導体装置及びその製造方法によれば、パワー半導体素子の金属リードフレームへの接合材として、半田接合材を使用せず、電気的に有利な(比抵抗値が低く、熱伝導率の小さい)金、銀、銅等を使用するため、高放熱特性を有するパワー半導体装置等において応力的影響が小さくなり、接合部のクラック等をなくすことができる。即ち、線膨張係数で考えると、主に錫鉛系からなる半田の場合は21〜24(×10−6/℃)程度であるのに対し、金属バンプは、銅:17.0、金:14.1、銀:18.9、アルミニウム:23、パラジウム:11.8、チタン:8.6(×10−6/℃)、パワー半導体素子の基板に使用される炭化珪素(SiC)は4.1(×10−6/℃)であるので、半田をパワー半導体素子の接合材として使用するよりも、上記の金属バンプで接合する方が応力的影響は小さくなる。そして、音響機器においては、感性的な音質の向上を図ることができ、金属バンプのレイアウト自由度も高いため、感性的に高い音質評価が得られるという利点がある。
According to the power semiconductor device and the method for manufacturing the power semiconductor device according to
また、半田を使用しないから、環境によく、半田濡れ性の影響による内部ボイドの発生もなく、接合強度や熱伝導性のばらつき等、ひいては電気抵抗や半導体素子からの熱拡散のばらつきを解消することができる。しかも、金属バンプの接続では、その本数、接合位置を任意に設定することで、上記ばらつき要因を良好に解消することが可能である。
更に、半田のような高温の接合プロセスを必要とせず、超音波振動を用いれば、室温から無酸素銅の軟化温度である200℃以下の温度範囲でも接合が可能となる。
Also, since no solder is used, it is good for the environment, there are no internal voids due to the influence of solder wettability, and it eliminates variations in bonding strength, thermal conductivity, etc., as well as variations in electrical resistance and thermal diffusion from semiconductor elements. be able to. In addition, in the connection of the metal bumps, it is possible to satisfactorily eliminate the above-mentioned variation factor by arbitrarily setting the number and the joining position.
Furthermore, if ultrasonic vibration is used without requiring a high-temperature bonding process such as solder, bonding can be performed even in a temperature range from room temperature to 200 ° C., which is the softening temperature of oxygen-free copper.
また、上記金属バンプの接合、そして超音波振動の接合によれば、金属バンプの潰し込み量が比較的制御し易く、バンプ接合部の厚み(Z方向)を任意かつ一定に設定することができ、接合部の応力の影響(クラック等)がなくなる。即ち、半田の厚みが厚い場合は、金属リードフレームと半導体素子の線膨張係数差で生じる応力を緩和する効果が期待されているが、半田接合法では、半田が溶けた状態で半導体素子を接合するため半田の厚みを一定に制御することが難しく、ばらつきが生じる。これに対し、本発明は、バンプ接合部を任意かつ一定の厚みにでき、接続される各部材の線膨張係数差で生じる応力を緩和することが可能となる。 Further, according to the bonding of the metal bump and the bonding of ultrasonic vibration, the crushing amount of the metal bump can be controlled relatively easily, and the thickness (Z direction) of the bump bonding portion can be set arbitrarily and constant. The effect of stress at the joint (cracks, etc.) is eliminated. In other words, when the thickness of the solder is thick, the effect of alleviating the stress caused by the difference in coefficient of linear expansion between the metal lead frame and the semiconductor element is expected. For this reason, it is difficult to control the thickness of the solder to be constant, resulting in variations. On the other hand, according to the present invention, the bump bonding portion can have an arbitrary and constant thickness, and the stress generated by the difference in linear expansion coefficient between the connected members can be reduced.
更に、金属バンプの周辺部はモールド樹脂の成型圧によって樹脂が注入され、パワー半導体素子は全体的に同一樹脂で封止されるため、局所的な応力の発生が生じない。即ち、一般的な半田は、モールド樹脂(エポキシ樹脂等)と接着することができないため、半田が濡れ広がった界面では樹脂が密着しておらず、これによる剥離が生じ、この剥離部分に水分が浸入することで、腐食や水蒸気爆発等、重大な信頼性不具合が生じていたが、本発明では、モールド樹脂が直接金属リードフレームへ接着することになり、上記のような不具合はなくなる。 Further, since the resin is injected into the peripheral portion of the metal bump by the molding resin molding pressure and the power semiconductor element is entirely sealed with the same resin, no local stress is generated. That is, since general solder cannot be bonded to a mold resin (epoxy resin, etc.), the resin does not adhere to the interface where the solder has spread, and peeling occurs due to this, and moisture is present at the peeled portion. Intrusion caused serious reliability problems such as corrosion and water vapor explosion, but in the present invention, the mold resin is directly bonded to the metal lead frame, and the above problems are eliminated.
また、パワー半導体素子の電極と金属線の接合において電極側のチタンと金属線である銅線が強固に接合されるから、接合信頼性が向上すると共に、十分な寿命が得られるという利点がある。 In addition , since the electrode side titanium and the copper wire, which is the metal wire, are firmly joined in the joining of the electrode and the metal wire of the power semiconductor element, there is an advantage that the joining reliability is improved and a sufficient life is obtained. .
また、パワー半導体素子基板に用いられる炭化珪素は、オン抵抗が低いため、省電力化、小型化が促進できるという利点がある。
更に、上記パワー半導体素子の裏面電極に金又は銀を蒸着すると共に、金属バンプに高純度の金又は銅を用い、金属リードフレームを高純度の無酸素銅とすることにより、音響機器において更に高い音質特性を得ることができる。
In addition , silicon carbide used for the power semiconductor element substrate has an advantage that power saving and miniaturization can be promoted because of low on-resistance.
Furthermore, gold or silver is vapor-deposited on the back electrode of the power semiconductor element, high-purity gold or copper is used for the metal bump, and the metal lead frame is made of high-purity oxygen-free copper. Sound quality characteristics can be obtained.
上記製造方法によれば、パワー半導体素子の例えば裏面を上にして金属バンプを形成する工程では、回路面接触回避用の弾性体凸部により、電極が形成された例えば表面と集合基板台(ウェハー台)とが直接接触することが防止され、また金属バンプによる接合を行う工程では、上記パワー半導体素子の表面とボンディングツールとが直接接触することが防止され、パワー半導体素子自体又はその電極へのダメージが回避される。また、ボンディングツールの長寿命化にも繋がる。
また、金属リードフレーム上に設けた窪みにより、金属バンプ接合においてアンカー効果が発揮され、接合性の安定化が図れるという利点がある。
According to the above manufacturing method, in the step of forming the metal bump with the power semiconductor element, for example, the back surface facing up, for example, the surface and the collective substrate stand (wafer) on which the electrodes are formed by the elastic convex portions for circuit surface contact avoidance In the process of bonding with metal bumps, the surface of the power semiconductor element and the bonding tool are prevented from coming into direct contact with each other, and the power semiconductor element itself or its electrode Damage is avoided. It also leads to longer life of the bonding tool.
Further, the depression provided on the metal lead frame has an advantage that the anchor effect is exhibited in the metal bump bonding, and the bonding property can be stabilized.
上記請求項3の発明によれば、パワー半導体素子間の弾性体凸部の境界が切削ラインとなり、他の識別手段を施すことなく、ダイシングが可能となり、また弾性体凸部が金属バンプを形成するときのアライメント(位置決め)マークとなり、正確な位置への金属バンプの形成が可能となる。 According to the third aspect of the present invention, the boundary of the elastic convex portion between the power semiconductor elements becomes a cutting line, and dicing can be performed without applying other identification means, and the elastic convex portion forms a metal bump. Alignment (positioning) marks are used, and metal bumps can be formed at accurate positions.
上記請求項4の構成によれば、個片化されたパワー半導体素子が突上げ針によりダイシングテープから剥離される際に、パワー半導体素子の突上げ面が弾性体(膜等)により保護され、パワー半導体素子自体又はその電極へダメージが与えられることがない。
According to the configuration of
図1には、本発明の第1実施例に係るパワー半導体装置(ダイオード)の構成が示されている。この第1実施例は、図11と同様に、パワー半導体素子10の裏面電極(カソード)12を比較的大きな面積の金属リードフレーム13に接続する構成であり、この裏面電極12と金属リードフレーム13の接合に金属バンプ(スタッドバンプ)14を用いる。また、金属リードフレーム13の内部リード部15とパワー半導体素子10の表面電極(アノード)11を金属線16により接続し、全体を樹脂6にて封止する構成となり、上記金属リードフレーム13には外部電極17a、内部リード部15には外部電極17bが接続される。更に、金属リードフレーム13の端部には、金属リードフレーム13と樹脂6を共に貫通する取付け用の孔8が形成されている。実施例では、上記金属リードフレーム13に例えば純度99.99%の無酸素銅を用い、上記金属線16に銅線又はアルミニウム線を使用している。
FIG. 1 shows the configuration of a power semiconductor device (diode) according to the first embodiment of the present invention. In the first embodiment, the back electrode (cathode) 12 of the
図2には、パワー半導体素子10の断面構造が示されており、このパワー半導体素子10の基板(基材)19は、炭化珪素(SiC)からなり(シリコン等でもよい)、その裏面電極(カソード面)12には基板側から順にチタン(Ti)膜12a、ニッケル(Ni)膜12b、金(Au)膜又は銀(Ag)膜12cが蒸着・形成され、表面電極(アノード面)11には、基板側から順にチタン(Ti)膜11a、アルミニウム(Al)膜11bが蒸着・形成され、この表面電極11の周囲には、ポリイミド等からなる弾性体凸部(保護膜)20が形成される。また、実施例では、裏面電極12側の金属バンプ14の材料として、金(例えば純度99.99%)、銀、銅(例えば純度99.99%)、アルミニウム、パラジウム(Pd)又はチタンのいずれか又はこれらを組み合わせた材料、或いはGaN(窒化ガリウム)、Ga2O3(酸化ガリウム)等が用いられ、この金属バンプ14によるスタッドバンプ工法による接合が行われる。これらの中では、特に、金、銀、銅が好適である。
FIG. 2 shows a cross-sectional structure of the
図3(A)〜(D)には、上記金属バンプ14の配置例が示されており、図示のように、パワー半導体素子10の裏面電極側に形成可能な金属バンプ14は、自由度の高いレイアウトで配置することができる。即ち、この金属バンプ14の数は、後述の熱伝導性や溶断電流等の試算により算出でき、半田接合では一般に上記裏面電極12にボイドが発生することが多く、電流密度の偏りが音質に影響する懸念が指摘されているが、金属バンプ14のレイアウトによって音質に関する大きな影響が感性的に認められており、金属バンプ14の接合であれば自由度の高いレイアウトで音質を改善できる。
FIGS. 3A to 3D show examples of the arrangement of the metal bumps 14. As shown in the drawing, the metal bumps 14 that can be formed on the back electrode side of the
また、パワー半導体素子10が実装される金属リードフレーム13に無酸素銅材を適用し、この金属リードフレーム上に銀又はパラジウムめっきを施し、超音波接合を適用することで、金属リードフレーム13への低温実装が可能になる。また、条件により上記金属リードフレーム13はめっきなし或いは銅めっきとした場合、金属バンプ14と金属リードフレーム13との接合では、合金層が形成されることはない。
Further, an oxygen-free copper material is applied to the
上記パワー半導体素子10を上記金属リードフレーム13に実装した後は、パワー半導体素子10の表面電極11と金属リードフレーム13の内部電極(と同一材料で形成される)が金属線16で接続され、この後、金型成型法によるエポキシ樹脂等の封止材を金型内へ圧力を加えながら成型することで、パワー半導体装置の成型ができ、このときの金型温度や樹脂硬化温度は150〜180℃で可能であるから、無酸素銅の軟化温度を超えることはない。
After the
このような第1実施例の構成では、パワー半導体素子10と金属リードフレーム13の接合材に半田を使用せず、金又は銅等からなる金属バンプ14を用いていることから、パワー半導体素子10から金属リードフレーム13への熱伝導率が向上することになる。この熱伝導性の向上を図るためには、金属バンプ14の数をどの程度に設定するかが重要であり、次の熱抵抗簡易計算式で求めることができる。
In such a configuration of the first embodiment, the solder is not used for the bonding material between the
[熱抵抗簡易計算式]
R=b/(λ・a)[℃/W] … (1)
但し、R:熱抵抗値、a:断面積[m2]、b:厚み[mm]、λ:熱伝導度[W/(m・℃)]である。
例えば、金のλAuは295[W/m・℃]で、パワー半導体素子10と金属リードフレーム13に使用される半田は、一般に鉛含有率が高い高温半田が使用されるため、λPbSnを35[W/m・℃]とすると、厚みが同じであれば、断面積は半田の約1/8で同等となるから、その倍以上の断面積となる金バンプを確保すればよいことになる。また、銅の熱伝導率は391[W/m・℃]であるから、熱伝導率では、銅は金より更に有利な設計とすることができる。
[Thermal calculation formula]
R = b / (λ · a) [° C./W] (1)
Where R: thermal resistance value, a: cross-sectional area [m 2 ], b: thickness [mm], λ: thermal conductivity [W / (m · ° C.)].
For example, λ Au of gold is 295 [W / m · ° C.], and the solder used for the
また、金属バンプの溶断電流値は、一般的に知られている次の(2),(3)式によって算出されるので、この溶断電流値から設計上必要となる金属バンプ数を算出することが可能である。
[溶断電流式/Au]
If=d0 2×102×SQRT(2.941×Tf −1+1.885×103×L0 −2)…(2)
[溶断電流式/Cu]
If=d0 2×102×SQRT(6.816×Tf −1+2.770×103×L0 −2)…(3)
但し、If:溶断電流[A]、d0:バンプ径[mm]、Tf:溶断時間[sec]、L0:バンプ高さ[mm]
例えば、上記式(2)において、バンプ径d0=0.1mm、バンプ高さL0=0.05mm、溶断時間Tf=5秒とすると、溶断電流値は868Aと算出されるため、相当な余裕があると見込まれる。また、半田の電気抵抗率が11〜15μΩ・cmであるのに対し、金は2.3μΩ・cm、銅は1.67μΩ・cmであるから、接合部材として有利であり、また半田は融点が183℃〜270℃程度となるのに対し、金の融点が1063℃、銅の融点が1083℃であるから、金や銅は金属バンプとして圧倒的に有利であることが分かる。例えば、ベタ付けの半田に対して金バンプであれば、最低12個、銅バンプであれば、最低9個設けさえすれば、接合部に流れる電流により発生するジュール熱に対して同等の耐性が得られる。
In addition, since the fusing current value of the metal bump is calculated by the following generally known formulas (2) and (3), the number of metal bumps required for design is calculated from the fusing current value. Is possible.
[Fusing current type / Au]
I f = d 0 2 × 10 2 × SQRT (2.941 × T f −1 + 1.85 × 10 3 × L 0 −2 ) (2)
[Fusing current type / Cu]
I f = d 0 2 × 10 2 × SQRT (6.816 × T f −1 + 2.770 × 10 3 × L 0 −2 ) (3)
However, I f: fusing current [A], d 0: bump diameter [mm], T f: fusing time [sec], L 0: bump height [mm]
For example, in the above formula (2), if the bump diameter d 0 = 0.1 mm, the bump height L 0 = 0.05 mm, and the fusing time T f = 5 seconds, the fusing current value is calculated as 868 A, It is expected that there is a margin. In addition, the electrical resistivity of solder is 11 to 15 μΩ · cm, whereas gold is 2.3 μΩ · cm and copper is 1.67 μΩ · cm, which is advantageous as a joining member, and solder has a melting point. While the melting point of gold is 1063 ° C. and the melting point of copper is 1083 ° C. while it is about 183 ° C. to 270 ° C., it can be seen that gold and copper are overwhelmingly advantageous as metal bumps. For example, at least 12 gold bumps for solid solder and at least 9 bumps for copper bumps will have equivalent resistance to Joule heat generated by the current flowing through the joint. can get.
第1実施例によれば、高放熱特性を有するパワー半導体装置において、応力的影響が小さくなり、接合部のクラック等をなくすことができ、金属バンプのレイアウト自由度も高いため、音響機器に使用される場合、感性的に高い音質が得られる。この音響機器用に使用する場合、上記金属リードフレーム13を無酸素銅とし、パワー半導体素子10の裏面12との接合に、金又は銅の金属バンプ14を使用することで、更なる音質向上を見込むことができる。また、環境によく、接合時の内部ボイドの発生もなく、接合強度や熱伝導性のばらつき、電気抵抗や熱拡散のばらつきを解消することができる。
According to the first embodiment, in a power semiconductor device having high heat dissipation characteristics, the stress effect is reduced, cracks in the joint portion can be eliminated, and the layout flexibility of the metal bumps is high. If this is done, a high sound quality can be obtained. When used for this acoustic device, the
また、パワー半導体素子10の表面電極11を内部リード15に接続する場合、金属線16として、アルミニウム線又は銅線を用いるので、超音波振動により無酸素銅の軟化温度以下で作業することができる。特に、金属線16に銅線を用いた場合は、超音波振動によって表面電極11の上層のアルミニウムの掃き出し(スプラッシュ)が生じ、銅線の下からアルミニウム層11bが消失するが、この層11bの下のチタン層11aはアルミニウムより硬度が高く、スプラッシュが生じない。従って、チタン膜11aと銅線(金属線16)が強固に接合され、これにより、接合信頼性が向上し、十分な寿命も得られるという利点がある。実際に、接合断面を確認すると、銅線はチタン層11aとの強固な密着層が形成され、−65〜150℃の温度サイクルにおいても、3000サイクル以上の信頼性があることが実証されている。
Further, when the
更に、パワー半導体素子10の炭化珪素からなる基板19は、オン抵抗が低いため、省電力化、小型化の促進が可能となる。
Furthermore, since the
図4には、第2実施例に係るパワー半導体装置の製造方法で得られるパワー半導体素子(ダイオード)の構成が示され、図(A)は、パワー半導体素子22の表面側、図(B)は裏面側の図である。このパワー半導体素子22の表面(電極)23には、1〜5μmのアルミニウム膜が蒸着され、裏面(電極)24には、第1実施例と同様に、基板側からチタン膜−ニッケル膜−金又は銀膜が形成されるが、チタン膜−アルミニウム膜を形成してもよい。第2実施例でも、この裏面24側に高さ25〜50μm程度の金属バンプ25が配置される。なお、上記表面23において金属バンプによる接合を実施することも可能であり、この金属バンプとして金を用いる際は、ニッケル膜の下地を用い、金属バンプとして銅を用いる場合は、チタン膜を用いるとよい。
FIG. 4 shows the configuration of a power semiconductor element (diode) obtained by the method for manufacturing a power semiconductor device according to the second embodiment. FIG. 4 (A) shows the surface side of the
そして、上記パワー半導体素子22の表面23の外周部には、ポリイミド又はレジスト等からなる回路面接触回避用の弾性体凸部(膜)27が厚み3〜5μm、幅0.01〜0.1mmで方形輪状に形成されると共に、その中央部には、突上げ針の保護用として、厚み3〜5μmのポリイミド又はレジスト等からなる弾性体凸部(膜)28が形成される。この弾性体凸部28は、突き上げ針の先端径に合せ、0.1〜1.0mmΦの大きさとされており、これらの弾性体凸部27と28は、同時に形成され、他の部分はエッチングで除去される。また、パワー半導体素子22の裏面24の外周部にも、同様に厚み3〜5μm、幅0.01〜0.1mmで方形輪状の弾性体凸部(膜)29が形成される。
Further, on the outer peripheral portion of the
上記弾性体凸部27は、図4(B)の状態で、裏面(電極)24に金属バンプ25を形成する際に、パワー半導体素子22の表面23と集合基板(ウェハー)台面との接触を防止し、また金属バンプ接合を行う際にも、表面23とボンディングツールとの接触を防止する役目をし、上記弾性体凸部29は、その外側の隙間(素子22間の隙間)が個片化ダイシング時の切断ラインの役目、金属バンプ形成時のアライメントマークの役目をする。
When the metal bumps 25 are formed on the back surface (electrode) 24 in the state shown in FIG. 4B, the elastic
図5には、金属バンプをスタッドバンプボンダーにより形成するバンプ形成工程が示されており、この工程では、図5(A)に示されるように、多数のパワー半導体素子回路を形成した集合基板(ウェハー)31がその金属バンプ形成面(裏面側)を上側にしてボンディングステージ上に設置される。このとき、集合基板31には、パワー半導体素子毎に弾性体凸部27,28が形成されているため、表面とボンディングステージ面が接触することがなく、パワー半導体素子回路に傷やダメージを生じさせることがない。
FIG. 5 shows a bump forming process in which metal bumps are formed by a stud bump bonder. In this process, as shown in FIG. 5 (A), a collective substrate (in which a large number of power semiconductor element circuits are formed) (Wafer) 31 is placed on the bonding stage with its metal bump formation surface (back side) facing up. At this time, since the elastic body
このバンプ形成工程では、図5(A)のように、スタッドバンプボンダーを構成するキャピラリー32から金属バンプ25の材料である金属細線33が供給されるが、この金属細線33として、15〜20μmの線径を有する金,銅等が使用される。まず、この金属細線33に対しトーチロッド34により2000〜3000Vの高圧電荷が印加され、その放電現象によってボール35が形成され、その後、集合基板31の所定位置にステージ温度100〜150℃で加熱・加圧し、超音波振動を発生させることにより金属バンプ25が形成される。この金属バンプ25が形成された後、金属細線33は引きちぎりにより金属バンプ25の先端から切断される。この引きちぎりを容易にするため、金属細線33には所定間隔で潰し等が入れられている。このような動作を繰り返すことで、図5(B)のように、多数の金属バンプ25がパワー半導体素子回路毎に形成されるが、この際には、弾性体凸部29が金属バンプ形成のための位置決めのアライメントマークとして機能することになる。
In this bump forming step, as shown in FIG. 5A, a metal
図6には、金属リードフレームへ金属バンプを形成する場合のバンプ形成工程が示されており、この例では、ワイヤーボンダーを使用することで容易に金属バンプが形成できる。また、このバンプ形成工程では、金属リードフレーム13に上記パワー半導体素子22上に形成したような弾性体凸部29がないため、図6(A)のように、予め金属バンプ形成箇所にエッチングや金型法等により深さ30〜50μmの窪み(凹部)37を設けることが好ましい。そして、窪み37に対し、図5の場合と同様にして金属バンプ25が順に形成されることで、図6(B)のように、多数の金属バンプ25がパワー半導体素子毎に形成される。また、上記の窪み37は、金属バンプ25のアンカー効果としても機能することになる。なお、金属バンプ25の形成に銅ワイヤーを使用する場合、ボール形成において還元性雰囲気を追加した装置が必要である。
FIG. 6 shows a bump forming process in the case where metal bumps are formed on a metal lead frame. In this example, metal bumps can be easily formed by using a wire bonder. Further, in this bump forming process, since the
次に、図7には、パワー半導体素子を個片化するダンシング工程の様子が示されており、図7に示されるように、ウェハーリング(台)38には搬送等のためにダイシングテープ(UVテープ)39が設けられ、このダイシングテープ39の上に、バンプ形成工程が終了した集合基板(ウェハー)31が配置されており、この集合基板31がブレード40(ダイシング法)によって個別化される。このときには、図4で説明したように、各パワー半導体素子22の間の各弾性体凸部29同士の隙間をダンシングラインLdとして切削が行われる。即ち、金属バンプ25が形成された裏面を下にしてダイシングをする場合は、金属バンプ25の高さが25〜50μm程度であり、このような高さの突起が多数配列された面をダイシングテープ39に貼り付けるためには、80〜150μmのテープの糊厚が必要となるため現実的ではない。そこで、実施例では、金属バンプ形成面ではない表面側をダイシングテープ39に貼り付けるが、この場合は、通常の集合基板31の裏面側には全面に電極24が形成されているため、目印となるダイシングラインがなく切削できないが、弾性体凸部29を設けたことで、隣接するパワー半導体素子間の弾性体凸部29間を目印にして(位置合せして)ブレード40で切削し、パワー半導体素子22を個片化することができる。
Next, FIG. 7 shows a state of a dancing process for dividing the power semiconductor element into pieces, and as shown in FIG. (UV tape) 39 is provided, and on this dicing
図8には、上記ダンシング工程後の各パワー半導体素子の取出し(ピックアップ)の様子が示されており、ここでは、集合基板31から切り離された個々のパワー半導体素子22がウェハーリング38上のダイシングテープ39(UV照射により粘着力を低下させた後)から剥がされながらピックアップされる。即ち、パワー半導体素子22は、ダイシングテープ39の下側より突上げ針41によって突き上げられると同時に、中空化された円柱形のツールであるコレット42にて吸着されることで、ダイシングテープ39から剥離され、このコレット42の吸着力でパワー半導体素子22が保持される。
FIG. 8 shows a state where each power semiconductor element is taken out (pickup) after the above-described dancing process. Here, the individual
このようなパワー半導体素子22の突上げでは、突上げ針41が弾性体凸部28に接触するので、パワー半導体素子22の表面23が保護され、この半導体素子自体やその表面電極へのダメージが回避される。
In such push-up of the
図9には、金属バンプの接合工程(図5のように素子自体に金属バンプを設けた場合の接合工程)が示されており、図8のコレット42で吸着保持されたパワー半導体素子22は、ボンディングツール(中心部からのエアー吸着により保持するもの)43に受け渡された後、このボンディングツール43によって、図9(A)のように、金属リードフレーム13の接合位置に加熱・圧接される。このときの加熱温度は、例えば室温(又は100℃)〜150℃で、接合荷重を金属バンプ当り0.2〜0.5Nとし、超音波振動(40〜60kHz)を与えながら接合が行われる(図9(B))。即ち、ボンディングツール43は超音波ホーンの先端部に取り付け固定されており、超音波ホーンがホーン長方向へ弾性振動を起こすのに同期して、ボンディングツール43が超音波ホーン長方向に揺動することで、超音波振動が発生する。なお、金属リードフレーム13や金属バンプ25に対するクリーンルーム内の汚染の影響で接合が不完全になる恐れがある場合は、Arプラズマ及び窒素雰囲気での保管等の管理を行うことで安定化することが可能である。
FIG. 9 shows a bonding process of metal bumps (bonding process in the case where metal bumps are provided on the element itself as shown in FIG. 5). The
そして、このような金属バンプ接合工程では、圧接時及び超音波振動時においてパワー半導体素子22の表面23に形成された弾性体凸部27が表面23とボンディングツール43との接触をなくし、パワー半導体素子22の表面電極(又は回路部)に傷やダメージが生じるのを防ぐことになる。また、ボンディングツール43においても、パワー半導体素子22との直接的な接触が避けられるため、ボンディングツール43の滑りによる磨耗の発生が低下し、長寿命化が可能となる。即ち、従来、弾性体凸部27がない場合には、ボンディングツール43の先端面とパワー半導体素子22の吸着面との間で、超音波振動方向で滑りが発生し、ボンディングツール43の先端面が磨耗すると共に、この両者間の摩擦力が低下し超音波振動方向の滑りが更に悪化することで、接合不良を引き起こすことから、ボンディングツール43は短い期間で定期交換が行われるが、弾性体凸部27を設けたことで、ボンディングツール43を長い期間使用することができるという利点がある。
In such a metal bump bonding process, the elastic
図10には、金属バンプの接合工程(図6のようにリードフレームに金属バンプを設けた場合の接合工程)が示されており、この場合は、図6のように金属リードフレーム13に形成した金属バンプ25に対し、金属バンプを設けずにコレット42で吸着保持されたパワー半導体素子44の所定位置を上記と同様にして圧接し、超音波振動を与えることで接合が行われる。
FIG. 10 shows a bonding process of metal bumps (bonding process when metal bumps are provided on the lead frame as shown in FIG. 6). In this case, the metal bump is formed on the
上記のような超音波振動による金属バンプ接合によれば、金属バンプ25の潰し込み量が制御し易く、半田接合に比較して、バンプ接合部の厚み(縦方向)を任意かつ一定に設定することができ、応力の発生、クラックの発生等がなくなるという利点がある。
According to the metal bump bonding by ultrasonic vibration as described above, the crushing amount of the
1,10,22,44…パワー半導体素子、 2…半田、
3,13…金属リードフレーム、 4,15…内部リード部、
5,16…金属線、 6…封止樹脂、
11…表面電極、 12…裏面電極、
14,25…金属バンプ、 31…集合基板、
23…表面(電極)、 24…裏面(電極)、
27,28,29…弾性体凸部(膜)、
39…ダイシングテープ、 42…コレット、
41…突上げ針、 43…ボンディングツール。
1, 10, 22, 44 ... power semiconductor element, 2 ... solder,
3, 13 ... Metal lead frame, 4, 15 ... Internal lead part,
5, 16 ... Metal wire, 6 ... Sealing resin,
11 ... Front electrode, 12 ... Back electrode,
14, 25 ... metal bumps, 31 ... collective substrate,
23 ... front surface (electrode), 24 ... back surface (electrode),
27, 28, 29 ... elastic body convex part (film),
39 ... Dicing tape, 42 ... Collet,
41 ... Push-up needle, 43 ... Bonding tool.
Claims (4)
上記金属リードフレームに高純度の無酸素銅を用い、
上記パワー半導体素子の基板に炭化珪素を用い、かつ該パワー半導体素子の表面電極としてチタン膜の上にアルミニウム膜を形成し、このパワー半導体素子の表面電極を上記金属リードフレームの内部リードに銅線にて接合する構成とし、
上記パワー半導体素子の裏面電極として形成された金膜又は銀膜の上に、高純度の金又は銅からなる金属バンプを介して、上記金属リードフレームを接合してなることを特徴とするパワー半導体装置。 A power semiconductor element having electrodes formed on the front and back surfaces, and a metal lead frame that joins the power semiconductor element and also functions as a heat sink, and a part of the metal lead frame are exposed for heat dissipation In the power semiconductor device formed by resin sealing the whole,
Using high purity oxygen-free copper for the metal lead frame,
Silicon carbide is used for the substrate of the power semiconductor element, and an aluminum film is formed on the titanium film as the surface electrode of the power semiconductor element, and the surface electrode of the power semiconductor element is connected to the internal lead of the metal lead frame with a copper wire. It is configured to be joined at
A power semiconductor comprising the metal lead frame joined to a gold film or silver film formed as a back electrode of the power semiconductor element via a metal bump made of high-purity gold or copper. apparatus.
上記パワー半導体素子の表面電極としてチタン膜の上にアルミニウム膜を形成し、このパワー半導体素子の表面電極を上記金属リードフレームの内部リードに銅線にて接合し、An aluminum film is formed on the titanium film as a surface electrode of the power semiconductor element, and the surface electrode of the power semiconductor element is bonded to an internal lead of the metal lead frame with a copper wire,
上記パワー半導体素子の表面電極又は裏面金属膜、又は上記金属リードフレームに、半田材でない金属バンプを形成し、Form a metal bump that is not a solder material on the front electrode or back surface metal film of the power semiconductor element, or the metal lead frame,
上記パワー半導体素子の金属バンプを形成しない面の外周に、弾性体からなる凸部を設けると共に、上記金属リードフレームの金属バンプの形成又は圧接位置に予め窪みを設け、Providing a convex portion made of an elastic body on the outer periphery of the surface of the power semiconductor element where the metal bump is not formed, and providing a depression in advance in the metal bump formation or pressure contact position of the metal lead frame,
上記パワー半導体素子を金属バンプが配置されない面から加圧しながら、超音波振動を与えることにより、上記パワー半導体素子と上記金属リードフレームとを接合することを特徴とするパワー半導体装置の製造方法。A method of manufacturing a power semiconductor device, wherein the power semiconductor element and the metal lead frame are joined by applying ultrasonic vibration while pressing the power semiconductor element from a surface where the metal bump is not disposed.
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