JP6573005B1 - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置においては、信頼性を向上させることが望ましい。【解決手段】半導体基板と、半導体基板の上方に設けられた第１材料の上面電極と、上面電極の上面から下面まで貫通した開口部に設けられた、第１材料と異なる第２材料の部分電極と、を備え、第２材料のヤング率が第１材料のヤング率より高い、半導体装置を提供する。開口部の底面には設けられたシード層をさらに備えてよく、シード層の上方に部分電極が設けられていてよい。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置に関する。

従来、金属製の表面電極膜が形成された半導体装置が知られている（例えば、特許文献１〜３および非特許文献１参照）。
特許文献１ 特許第６１２９０９０号公報
特許文献２ 特開２００９−３８１３９号公報
特許文献３ 特開２００８−２５８４９９号公報
非特許文献１ Ｄ.Ｓｉｅｐｅ ｅｔ ａｌ.，Ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｏｆ Ｗｉｒｅ Ｂｏｎｄｉｎｇ ｉｓ ？ Ｗｉｒｅ Ｂｏｎｄｉｎｇ ！ Ｐｒｏｃ. ｏｆ ＣＩＰＳ ２０１０（２０１０）

半導体装置においては、信頼性を向上させることが望ましい。

本発明の第１の態様においては、半導体装置を提供する。半導体装置は、半導体基板と、半導体基板の上方に設けられた第１材料を含む上面電極と、上面電極の上面から下面まで貫通した開口部に設けられた、第１材料と異なる第２材料を含む部分電極と、を備える。第２材料のヤング率は、第１材料のヤング率より高い。

部分電極は、シード層と、導電部とを有してよい。シード層は、開口部の底面に設けられてよい。導電部は、シード層の上方に設けられてよい。

シード層は、開口部の側面に設けられてよい。

シード層は、タングステンを含んでよい。

上面電極はアルミニウムを含んでよい。部分電極は銅を含んでよい。

部分電極は多結晶の金属であってよい。

部分電極は、半導体基板の上面視で、予め定められた第１方向に沿って設けられていてよい。

部分電極は、半導体基板の上面視で、第１方向と異なる、予め定められた第２方向に沿って設けられていてよい。

半導体装置は、上面電極の上方に設けられ、上面電極に電気的に接続される引出し部をさらに備えてよい。部分電極は、第１方向に沿った部分と第２方向に沿った部分との交差部を有してよい。半導体基板の上面視で、交差部と引出し部とは重なってよい。

半導体基板の上面視で、交差部と引出し部とが重なる面積は、引出し部の面積の１／２以上であってよい。

上面電極および部分電極の上方に、ニッケルを含む金属層が設けられてよい。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

本発明の一つの実施形態に係る半導体装置１００の断面の一例を示す図である。 図１における領域Ａの拡大図である。 引出し部９０における第１部分９２の近傍の一例を示す上面図である。 引出し部９０における第１部分９２の近傍の他の一例を示す上面図である。 引出し部９０における第１部分９２の近傍の他の一例を示す上面図である。 引出し部９０における第１部分９２の近傍の他の一例を示す上面図である。 引出し部９０における第１部分９２の近傍の他の一例を示す上面図である。 引出し部９０における第１部分９２の近傍の他の一例を示す上面図である。 本発明の一つの実施形態に係る半導体装置１００の断面の他の一例を示す図である。 図９における領域Ｂの拡大図である。 導電ピン１９０の近傍の一例を示す上面図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

本明細書においては半導体基板の深さ方向と平行な方向における一方の側を「上」、他方の側を「下」と称する。基板、層またはその他の部材の２つの主面のうち、一方の面を上面、他方の面を下面と称する。「上」、「下」の方向は重力方向、または、半導体装置の実装時における基板等への取り付け方向に限定されない。

本明細書では、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の直交座標軸を用いて技術的事項を説明する場合がある。本明細書では、半導体基板の上面と平行な面をＸＹ面とし、半導体基板の上面と垂直な深さ方向をＺ軸とする。

図１は、本発明の一つの実施形態に係る半導体装置１００の断面の一例を示す図である。図１に示す通り、本例の半導体装置１００は、配線基板２１と、配線基板２１の上方に設けられたケース部２０と、配線基板２１の下方に接合材料１４を介して設けられた放熱ベース１２と、を有する。

本例の配線基板２１は、絶縁基板２２、配線層３０および導体層１６を有する。配線基板２１は、一例としてＤＣＢ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｐｐｅｒ Ｂｏｎｄｉｇ）基板である。絶縁基板２２は、セラミック等の絶縁材料で形成された基板である。配線層３０および導体層１６は、銅等の導電材料で形成されている。配線層３０は、絶縁基板２２の上面において所定の配線パターンで設けられている。導体層１６は、絶縁基板２２の下面のほぼ全面に設けられている。

本例の接合材料１４は、はんだ等である。接合材料１４は、導体層１６と放熱ベース１２とを接合する。放熱ベース１２は、半導体装置１００の動作に伴い発生した熱を半導体装置１００の外部に放出する。本例の放熱ベース１２は、銅またはアルミニウム等の金属で形成されている。

本例のケース部２０は、配線基板２１の上面において、配線層３０を囲む側壁２４を有する。側壁２４は、樹脂等の絶縁材料で形成されている。ケース部２０は、側壁２４で囲まれた空間に半導体チップ３８を収容する。半導体チップ３８は、パワー半導体素子を含んでよい。パワー半導体素子の一例として、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、ＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌ Ｄｉｏｄｅ）等のダイオードおよびこれらを組み合わせたＲＣ（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ）−ＩＧＢＴ、並びにＭＯＳトランジスタ等が挙げられる。

配線層３０の上方には、接合材料４０を介して半導体チップ３８が設けられている。本例の接合材料４０は、はんだ等である。接合材料４０は、配線層３０と半導体チップとを接合する。

半導体チップ３８は、半導体基板１０を備える。また、半導体チップ３８は、半導体基板１０の上方に設けられた第１材料を含む上面電極５０を備える。第１材料は、アルミニウム（Ａｌ）であってよい。上面電極５０は、アルミニウム（Ａｌ）により形成された電極であってもよい。

半導体チップ３８の上面電極５０の上方には、引出し部９０が設けられる。引出し部９０は、一例としてリードフレームである。引出し部９０は、第１部分９２、第２部分９３、脚部９４、脚部９５および架橋部９６を含む。第１部分９２は、半導体チップ３８の上方に配置される。第２部分９３は、配線層３０の上方に配置される。架橋部９６は、半導体チップ３８と配線層３０とを橋渡しする。第１部分９２および第２部分９３、並びに架橋部９６は、ＸＹ平面と平行な板状の導電部材であってよい。

脚部９４は、第１部分９２と架橋部９６とを接続する。脚部９５は、第２部分９３と架橋部９６とを接続する。脚部９４および脚部９５は、ＹＺ面と平行な板状の導電部材であってよい。

第１部分９２、第２部分９３、架橋部９６、脚部９４および脚部９５は、一体に設けられていてよい。引出し部９０の第１部分９２は、はんだ部７０を通して半導体チップ３８の上面電極５０と電気的に接続されている。引出し部９０の第２部分９３は、配線層３０に電気的に接続されている。

半導体チップ３８には、配線７４が接続される。配線７４は、半導体チップ３８と、配線層３０とを電気的に接続する。配線７４は、一例として金属等の導電材料で形成されたワイヤーである。配線７４は、半導体チップ３８のゲート部と接続されてよい。

配線基板２１の上方には、入出力端子３２が設けられる。入出力端子３２は、配線層３０に電気的に接続されている。入出力端子３２は、半導体装置１００の外部から半導体チップ３８へ入力する信号が入力される端子である。また、入出力端子３２は、半導体チップ３８から半導体装置１００の外部へ出力する信号が出力される端子である。入出力端子３２は、ケース部２０の側壁２４に接して設けられていてよい。

本例において、側壁２４で囲まれた空間には、樹脂８０が充填されている。樹脂８０は、配線層３０、半導体チップ３８、配線７４および引出し部９０を埋めるように充填されていてよい。樹脂８０は、引出し部９０の架橋部９６の下方まで充填されていてよい。樹脂８０は絶縁材料である。樹脂８０は、半導体チップ３８と半導体装置１００の外部との絶縁性を確保している。

図２は、図１における領域Ａの拡大図である。領域Ａは、上面電極５０および引出し部９０の近傍の領域を含む。図２に示す通り、半導体基板１０の上面には上面電極５０が設けられる。本例においては、半導体基板１０の上面と上面電極５０の下面５２が接して設けられている。

上面電極５０には、上面５１から下面５２まで貫通した開口部５６が設けられている。開口部５６は、上面電極５０の一部をエッチングすることにより形成してよい。開口部５６は、金属層６６の下方、且つ、引出し部９０の第１部分９２の下方に設けられる。開口部５６には、第１材料と異なる第２材料を含む部分電極５３が設けられる。第２材料は、銅（Ｃｕ）であってよい。部分電極５３は、銅をめっきにより形成した電極であってよい。

本例の半導体装置１００において、部分電極５３を形成する第２材料のヤング率は、上面電極５０を形成する第１材料のヤング率よりも高い。即ち、部分電極５３は、上面電極５０よりも剛性が高い。上記した通り、上面電極５０は、アルミニウム（Ａｌ）で形成されてよい。部分電極５３は、アルミニウム（Ａｌ）よりもヤング率の高い銅（Ｃｕ）で形成されてよい。

上面電極５０および部分電極５３の上方には、ニッケル（Ｎｉ）を含む金属層６６が設けられてよい。金属層６６は、一例としてボンディングパッドである。金属層６６は、上面電極５０の上面５１に接して設けられた金属層６６−１と、金属層６６−１上に設けられた金属層６６−２を含んでよい。金属層６６−１は、ニッケル（Ｎｉ）を主とする電極膜であってよい。金属層６６−１は、ニッケル（Ｎｉ）−リン（Ｐ）をめっきにより形成した膜であってよい。また、金属層６６−２は、金からなるめっき膜であってよい。

上面電極５０の上面５１の上方には、保護膜６０が設けられている。保護膜６０は、ポリイミドまたは窒化珪素で形成されてよい。金属層６６は、保護膜６０に設けられた開口に埋め込まれるように設けられてよい。

金属層６６は、はんだ部７０を介して引出し部９０の第１部分９２と電気的に接続される。引出し部９０の第１部分９２は、金属層６６およびはんだ部７０を介して、上面電極５０と電気的に接続される。

本例の半導体装置１００は、部分電極５３を形成する第２材料のヤング率が、上面電極５０を形成する第１材料のヤング率よりも高い。このため、半導体装置１００をパワーサイクル試験のように繰り返しスイッチング動作させた場合に、上面電極５０に亀裂が発生しても、部分電極５３と上面電極５０との界面において当該亀裂の進展を抑制することができる。このため、塑性変形による当該亀裂が、上面電極５０のＸＹ平面内における全体に進展することを抑制することができる。このため、半導体装置１００を長寿命化することができる。また、半導体装置１００の信頼性を向上させることができる。

本明細書において、図１における引出し部９０の脚部９４から脚部９５へ向かう方向をＸ軸とする。また、図１のＸＺ面に対して直交する奥行き方向をＹ軸とする。

金属層６６のＸ軸負側および正側の端部を、それぞれ端部Ｐ１および端部Ｐ２とする。引出し部９０とはんだ部７０との接合面における、引出し部９０のＸ軸負側および正側の端部を、それぞれ端部Ｐｒ１および端部Ｐｒ２とする。部分電極５３のＸ軸負側および正側の端部を、それぞれ端部Ｐｅ１および端部Ｐｅ２とする。

幅Ｗｐは、端部Ｐ１と端部Ｐ２との間のＸ軸方向における幅、即ち金属層６６のＸ軸方向の幅である。幅Ｗｒｆは、端部Ｐｒ１と端部Ｐｒ２との間のＸ軸方向における幅である。幅Ｗｅｈは、端部Ｐｅ１と端部Ｐｅ２との間のＸ軸方向における幅、即ち部分電極５３のＸ軸方向の幅である。

本例において、幅Ｗｅｈは、幅Ｗｐよりも小さい。幅Ｗｅｈは、幅Ｗｐの１／２０以上１／５以下であってよい。部分電極５３は、開口部５６の全体に充填されていてよい。つまり部分電極５３のＺ軸方向における幅は、上面電極５０のＺ軸方向における幅と同一であってよい。部分電極５３のＸ軸方向における幅は、開口部５６のＸ軸方向における幅と同一であってよい。

幅Ｗｅｖは、上面電極５０のＺ軸方向における幅である。幅Ｗｐｖは、金属層６６のＺ軸方向における幅である。幅Ｗｐｖ１は、金属層６６−１のＺ軸方向における幅である。幅Ｗｐｖ２は、金属層６６−２のＺ軸方向における幅である。幅Ｗｐｖは、幅Ｗｐｖ１と幅Ｗｐｖ２との和に等しい。

幅Ｗｅｖは、２μｍ以上１０μｍ以下であってよい。幅Ｗｅｖは、一例として５μｍである。幅Ｗｐｖは、２μｍ以上１０μｍ以下であってよい。幅Ｗｐｖは、一例として５μｍである。幅Ｗｐｖ２は、３０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であってよい。幅Ｗｐｖ２は、一例として５０ｎｍである。

本例の部分電極５３は、シード層５４−１と、導電部５９とを有する。シード層５４−１は、開口部５６の底面５７に設けられている。底面５７は、上面電極５０の下面５２と同じＸＹ平面内にあってよい。導電部５９は、シード層５４−１の上方に設けられている。シード層５４−１は、導電部５９をめっきにより形成する場合に陰極として機能する。また、シード層５４−１は、導電部５９と半導体基板１０の上面との密着強度を安定化させる機能を有する。なお、シード層５４−１と半導体基板１０の上面との間、および、上面電極５０の下面５２と半導体基板１０の上面との間に、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）等の層を設けてもよい。

部分電極５３は、開口部５６の側面５８に設けられたシード層５４−２をさらに有してもよい。側面５８にシード層５４−２が設けられない場合、導電部５９をめっきにより形成すると、側面５８と導電部５９との間に空隙が生じる場合がある。当該空隙が生じると、上面電極５０に生じた応力が当該空隙近傍に集中し易く、上面電極５０が破壊し易い。側面５８にシード層５４−２が設けられると、当該空隙の発生を抑制することができる。このため上面電極５０に生じた応力の集中を抑制し、上面電極５０の破壊を抑制することができる。

シード層５４は、上面電極５０を形成する第１材料よりもヤング率の高い材料で形成されてよい。また、シード層５４は、導電部５９を形成する材料よりもヤング率の高い材料で形成されてよい。シード層５４は、タングステン（Ｗ）を含んでよい。シード層５４は、タングステン（Ｗ）で形成されていてもよい。導電部５９は、銅（Ｃｕ）を含んでよい。導電部５９は、銅（Ｃｕ）で形成されていてもよい。銅（Ｃｕ）をダマシンプロセスによりめっき形成し、導電部５９を形成する場合、シード層５４はタングステン（Ｗ）が好適である。

シード層５４は、クロム（Ｃｒ）系の金属で形成されてもよい。シード層５４は、下方から順にニッケル（Ｎｉ）／クロム（Ｃｒ）／銅（Ｃｕ）の３層構造であってもよい。その他、シード層５４は、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、ルテニウム（Ｒｕ）、バナジウム（Ｖ）、コバルト（Ｃｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）のいずれかで形成されてもよい。

部分電極５３は、多結晶の金属で形成されてよい。金属とは、遷移金属、希土類金属を指す。金属とは、エネルギーバンド構造の伝導帯にフェルミ準位を有するものを指す。多結晶は、様々な方位の結晶がランダムに集積しているので、部分電極５３が多結晶で形成されることで、様々な方面からの応力に耐性を有する部分電極５３とすることができる。

図３は、引出し部９０における第１部分９２の近傍の一例を示す上面図である。図３において、上面視における第１部分９２の領域を太い実線および破線にて示している。第１部分９２は、当該太い実線および破線で囲まれる領域にて、はんだ部７０と面接触している。第１部分９２のＸ軸正側は、上面視で脚部９４と重なっている。脚部９４から半導体チップ３８のＸ軸正側の外周端１４０−３よりもＸ軸正側まで、架橋部９６がＸ軸方向に延伸している。

図３に示す通り、第１部分９２の下方には、はんだ部７０が設けられる。はんだ部７０の下方には金属層６６が設けられる。図３において、金属層６６が設けられる領域を一点鎖線部にて示している。金属層６６の周囲には、金属層６６を囲むように保護膜６０が設けられる。

部分電極５３の少なくとも一部は、第１部分９２の下方に設けられてよい。部分電極５３の少なくとも一部は、金属層６６の下方に設けられていてもよい。部分電極５３の少なくとも一部は、保護膜６０の下方に設けられていてよい。図３において、部分電極５３が設けられる領域を破線およびハッチングにて示している。半導体チップ３８の上面側において、部分電極５３と同一のＸＹ平面内、且つ、部分電極５３以外の領域には、上面電極５０が設けられている。ただし、上面電極５０の配置は、本例に限定されない。

本例の部分電極５３は、第１部分９２（または金属層６６）の下方において、予め定められた第１方向（例えばＹ軸方向）に沿って設けられる。部分電極５３は、第１部分９２（または金属層６６）と重なる領域を、第１方向に横切るように設けられてよい。つまり部分電極５３は、第１部分９２（または金属層６６）と重なる領域の第１方向における一方の端部から、他方の端部まで連続して設けられてよい。

部分電極５３は、第１部分９２（または金属層６６）と重なる領域の外側にも設けられていてよい。部分電極５３は、上面電極５０を、上面視において２つ以上の領域に分割するように設けられてよい。一例として、部分電極５３は、上面電極５０の第１方向の一方の外周端から、他方の外周端まで連続して設けられていてもよい。

図３の例では、上面電極５０のＹ軸正側の外周端の位置およびＹ軸負側の外周端の位置は、半導体チップ３８のＹ軸正側の外周端１４０−１の位置およびＹ軸負側の外周端１４０−２の位置と一致している。この場合においては、部分電極５３は、半導体チップ３８のＹ軸正側の外周端１４０−１からＹ軸負側の外周端１４０−２まで、第１方向に沿って設けられている。上面電極５０のＹ軸正側の外周端が、第１部分９２（または金属層６６）と重なる領域の外側、且つ、半導体チップ３８の外周端１４０−１よりも内側に配置され、上面電極５０のＹ軸負側の外周端が、当該領域の外側、且つ、外周端１４０−２よりも内側に配置される場合、部分電極５３は、上面電極５０のＹ軸負側の外周端からＹ軸正側の外周端まで連続して設けられていればよく、外周端１４０−１から外周端１４０−２まで連続して設けられていなくてもよい。

本例の半導体装置１００は、部分電極５３が外周端１４０−１から外周端１４０−２まで第１方向に沿って設けられる。また、部分電極５３を形成する第２材料のヤング率が、上面電極５０を形成する第１材料のヤング率よりも高い。このため、半導体装置１００をパワーサイクル試験のように繰り返しスイッチング動作させた場合に、部分電極５３よりもＸ軸負側（または正側）の上面電極５０に亀裂が発生しても、当該亀裂が部分電極５３よりもＸ軸正側（または負側）に進展することが、部分電極５３と上面電極５０との界面において抑制される。このため、半導体装置１００を長寿命化することができる。また、半導体装置１００の信頼性を向上させることができる。

図４は、引出し部９０における第１部分９２の近傍の他の一例を示す上面図である。本例の半導体装置１００は、部分電極５３−２が上面視で第１方向と異なる第２方向に沿ってさらに設けられる点で、図３に示す半導体装置１００と異なる。第１方向および第２方向は、互いに直交する方向であってよい。第２方向は、Ｘ軸方向であってよい。図４において、部分電極５３−１および部分電極５３−２が設けられる領域を破線およびハッチングにて示している。部分電極５３−２のＹ軸方向の幅は、部分電極５３−１のＸ軸方向の幅Ｗｅｈと等しくてよい。

部分電極５３−１の少なくとも一部は、第１部分９２（または金属層６６）の下方に設けられてよい。部分電極５３−２の少なくとも一部は、第１部分９２（または金属層６６）の下方に設けられてよい。図４において、部分電極５３−１および部分電極５３−２が設けられる領域を破線およびハッチングにて示している。半導体チップ３８の上面側において、部分電極５３−１および部分電極５３−２と同一のＸＹ平面内、且つ、部分電極５３−１および部分電極５３−２以外の領域には、上面電極５０が設けられている。ただし、上面電極５０の配置は、本例に限定されない。

部分電極５３−１は、第１部分９２（または金属層６６）と重なる領域を、第１方向に横切るように設けられてよい。部分電極５３−２は、第１部分９２（または金属層６６）と重なる領域を、第２方向に横切るように設けられてよい。つまり、部分電極５３−１は、第１部分９２（または金属層６６）と重なる領域の第１方向における一方の端部から、他方の端部まで連続して設けられてよい。部分電極５３−２は、第１部分９２（または金属層６６）と重なる領域の第２方向における一方の端部から、他方の端部まで連続して設けられてよい。

部分電極５３−１は、第１部分９２（または金属層６６）と重なる領域の外側にも設けられていてよい。部分電極５３−１は、上面電極５０を、上面視において２つ以上の領域に分割するように設けられてよい。一例として、部分電極５３−１は、上面電極５０の第１方向の一方の外周端から、他方の外周端まで連続して設けられていてもよい。

部分電極５３−２は、第１部分９２（または金属層６６）と重なる領域の外側にも設けられていてよい。部分電極５３−２は、上面電極５０を、上面視において２つ以上の領域に分割するように設けられてよい。一例として、部分電極５３−２は、上面電極５０の第２方向の一方の外周端から、他方の外周端まで連続して設けられていてもよい。

図４の例では、上面電極５０のＹ軸正側の外周端の位置およびＹ軸負側の外周端の位置は、半導体チップ３８のＹ軸正側の外周端１４０−１の位置およびＹ軸負側の外周端１４０−２の位置と一致している。また、上面電極５０のＸ軸正側の外周端の位置およびＸ軸負側の外周端の位置は、半導体チップ３８のＸ軸正側の外周端１４０−３の位置およびＸ軸負側の外周端１４０−４の位置と一致している。この場合においては、部分電極５３−１は、半導体チップ３８のＹ軸正側の外周端１４０−１からＹ軸負側の外周端１４０−２まで、第１方向に沿って設けられている。また、部分電極５３−２は、半導体チップ３８のＸ軸正側の外周端１４０−３からＸ軸負側の外周端１４０−４まで、第１方向に沿って設けられている。

上面電極５０のＹ軸正側の外周端が、第１部分９２（または金属層６６）と重なる領域の外側、且つ、半導体チップ３８の外周端１４０−１よりも内側に配置され、上面電極５０のＹ軸負側の外周端が、当該領域の外側、且つ、外周端１４０−２よりも内側に配置される場合、部分電極５３−１は、上面電極５０のＹ軸負側の外周端からＹ軸正側の外周端まで連続して設けられていればよく、外周端１４０−１から外周端１４０−２まで連続して設けられていなくてもよい。

同様に、上面電極５０のＸ軸正側の外周端が、第１部分９２（または金属層６６）と重なる領域の外側、且つ、半導体チップ３８の外周端１４０−３よりも内側に配置され、上面電極５０のＸ軸負側の外周端が、当該領域の外側、且つ、外周端１４０−４よりも内側に配置される場合、部分電極５３−２は、上面電極５０のＸ軸負側の外周端からＸ軸正側の外周端まで連続して設けられていればよく、外周端１４０−３から外周端１４０−４まで連続して設けられていなくてもよい。

本例の半導体装置１００は、部分電極５３−１が外周端１４０−１から外周端１４０−２まで第１方向に沿って設けられ、部分電極５３−２が外周端１４０−３から外周端１４０−４まで第２方向に沿って設けられる。また、部分電極５３を形成する第２材料のヤング率が、上面電極５０を形成する第１材料のヤング率よりも高い。このため、半導体装置１００をパワーサイクル試験のように繰り返しスイッチング動作させた場合に、部分電極５３−１よりもＸ軸負側（または正側）、且つ、部分電極５３−２よりもＹ軸正側（または負側）の上面電極５０に亀裂が発生し、当該亀裂がＸ軸方向に進展しても、当該亀裂が部分電極５３−１よりもＸ軸負側に進展することが、部分電極５３−１と上面電極５０との界面において抑制される。また、当該亀裂がＹ軸方向に進展しても、当該亀裂が部分電極５３−２よりもＹ軸正側（または負側）に進展することが、部分電極５３−２と上面電極５０との界面において抑制される。このため、半導体装置１００を長寿命化することができる。また、半導体装置１００の信頼性を向上させることができる。

本例の半導体装置１００において、交差部５３−３は、第１方向に沿って設けられた部分電極５３−１の一部分と、第２方向に沿って設けられた部分電極５３−２の一部分とが交差する領域である。上面視で、交差部５３−３と引出し部９０とは重なってよい。本例において、交差部５３−３と引出し部９０とが重なるとは、交差部５３−３と引出し部９０の第１部分９２とが重なることを指す。

半導体装置１００をパワーサイクル試験のように繰り返しスイッチング動作させた場合、上面電極５０のうち第１部分９２と面接触するはんだ部７０の下方に配置される領域に、亀裂が発生しやすい。本例の半導体装置１００は、交差部５３−３と引出し部９０とが重なっているので、上面電極５０に当該亀裂が発生しても、第１部分９２とはんだ部７０とが面接触する領域において、当該亀裂がＸ軸方向に部分電極５３−１を越えて進展することが、部分電極５３−１と上面電極５０との界面において抑制され、Ｙ軸方向に部分電極５３−２を越えて進展することが、部分電極５３−２と上面電極５０との界面において抑制される。このため、図１に示す例と比較して、第１部分９２と上面電極５０との、より確実な電気的接続を実現することができる。このため、半導体装置１００を長寿命化することができる。また、半導体装置１００の信頼性を向上させることができる。

図５は、引出し部９０における第１部分９２の近傍の他の一例を示す上面図である。図５においては、図面の視認性のため、引出し部９０の脚部９４および架橋部９６の図示を省略している。本例の半導体装置１００は、部分電極５３−１および部分電極５３−２が、それぞれ複数設けられる点で、図４に示す半導体装置１００と異なる。また、部分電極５３−１および部分電極５３−２が、外周端１４０近傍に設けられない点で、図４に示す半導体装置１００と異なる。本例においては、部分電極５３−１および部分電極５３−２は、第１部分９２（または金属層６６）の下方のみに設けられる。

本例においては、交差部５３−３が複数設けられる。本例において交差部５３−３は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に沿って複数設けられる、図５において、上面視で引出し部９０の第１部分９２と重なる交差部５３−３を、太い破線部にて示している。このような構成とすることで、上面電極５０のうち第１部分９２と面接触するはんだ部７０の下方に配置される領域に発生した亀裂は、複数の部分電極５３−１、複数の部分電極５３−２、または部分電極５３−１および部分電極５３−２を経由しなければ、当該領域の外側まで到達しない蓋然性が高くなる。このため、図３および図４に示す例よりもさらに、当該亀裂が上面電極５０の外周端に到達しにくくなる。このため、半導体装置１００を長寿命化することができる。また、半導体装置１００の信頼性を向上させることができる。

上面視で、第１部分９２と重なる交差部５３−３の面積の総和は、第１部分９２の面積の１／２以上であってよい。交差部５３−３を複数設け、且つ、第１部分９２と重なる交差部５３−３の面積の総和を、第１部分９２の面積の１／２以上とすることにより、当該総和が第１部分９２の面積の１／２未満である場合よりも、上面電極５０のうち上面視で第１部分９２と重なる領域に発生した亀裂が、当該領域内において終端しやすくなる。このため、当該亀裂が外周端１４０まで到達しにくくなる。このため、図４に示す半導体装置１００よりもさらに、上面電極５０に発生した亀裂のＸＹ平面全体への進展を抑制することができる。

図６は、引出し部９０における第１部分９２の近傍の他の一例を示す上面図である。本例の半導体装置１００は、部分電極５３−１および部分電極５３−２が、半導体チップ３８の外周端１４０まで設けられる点で、図５に示す半導体装置１００と異なる。

本例において、上面電極５０のＹ軸正側の外周端の位置およびＹ軸負側の外周端の位置は、半導体チップ３８のＹ軸正側の外周端１４０−１の位置およびＹ軸負側の外周端１４０−２の位置と一致している。また、上面電極５０のＸ軸正側の外周端の位置およびＸ軸負側の外周端の位置は、半導体チップ３８のＸ軸正側の外周端１４０−３の位置およびＸ軸負側の外周端１４０−４の位置と一致している。この場合においては、部分電極５３−１は、半導体チップ３８のＹ軸正側の外周端１４０−１からＹ軸負側の外周端１４０−２まで、第１方向に沿って設けられている。また、部分電極５３−２は、半導体チップ３８のＸ軸正側の外周端１４０−３からＸ軸負側の外周端１４０−４まで、第２方向に沿って設けられている。

上面電極５０のＹ軸正側の外周端が、第１部分９２（または金属層６６）と重なる領域の外側、且つ、半導体チップ３８の外周端１４０−１よりも内側に配置され、上面電極５０のＹ軸負側の外周端が、当該領域の外側、且つ、外周端１４０−２よりも内側に配置される場合、部分電極５３−１は、上面電極５０のＹ軸負側の外周端からＹ軸正側の外周端まで連続して設けられていればよく、外周端１４０−１から外周端１４０−２まで連続して設けられていなくてもよい。

同様に、上面電極５０のＸ軸正側の外周端が、第１部分９２（または金属層６６）と重なる領域の外側、且つ、半導体チップ３８の外周端１４０−３よりも内側に配置され、上面電極５０のＸ軸負側の外周端が、当該領域の外側、且つ、外周端１４０−４よりも内側に配置される場合、部分電極５３−２は、上面電極５０のＸ軸負側の外周端からＸ軸正側の外周端まで連続して設けられていればよく、外周端１４０−３から外周端１４０−４まで連続して設けられていなくてもよい。

本例においては、部分電極５３−１および部分電極５３−２、並びにそれらが交差する交差部５３−３が複数設けられる。また、複数の部分電極５３−１が外周端１４０−１から外周端１４０−２まで第１方向に沿って設けられ、複数の部分電極５３−２が外周端１４０−３から外周端１４０−４まで第２方向に沿って設けられる。このため、上面電極５０のうち第１部分９２と面接触するはんだ部７０の下方に配置される領域に発生した亀裂は、複数の部分電極５３−１、複数の部分電極５３−２、または部分電極５３−１および部分電極５３−２を経由しなければ、外周端１４０まで到達しない蓋然性が高くなる。このため、図３および図４に示す例よりもさらに、当該亀裂が半導体チップの外周端１４０に到達しにくくなる。このため、半導体装置１００を長寿命化することができる。また、半導体装置１００の信頼性を向上させることができる。

図７は、引出し部９０における第１部分９２の近傍の他の一例を示す上面図である。本例においても、図面の視認性のため、引出し部９０の脚部９４および架橋部９６の図示を省略している。本例の半導体装置１００は、上面視で部分電極５３−４が市松模様に設けられる。また、部分電極５３−４は外周端１４０近傍に設けられない。本例においては、部分電極５３−４は、第１部分９２（または金属層６６）の下方のみに設けられる。

それぞれの部分電極５３−４のＸ軸方向の幅およびＹ軸方向の幅は、共に幅Ｗｅｈであってよい。部分電極５３−４は、角部５３−５において他の部分電極５３−４とつながっている。複数の部分電極５３−４は、角部５３−５において相互につながって一体化した部分電極５３を形成していてよい。

このような構成とすることでも、上面電極５０のうち第１部分９２と面接触するはんだ部７０の下方に配置される領域に発生した亀裂は、複数の部分電極５３−４を経由しなければ、当該領域の外側まで到達しない蓋然性が高くなる。このため、図３および図４に示す例よりもさらに、当該亀裂が上面電極５０の外周端に到達しにくくなる。このため、半導体装置１００を長寿命化することができる。また、半導体装置１００の信頼性を向上させることができる。

図８は、引出し部９０における第１部分９２の近傍の他の一例を示す上面図である。本例の半導体装置１００は、部分電極５３−４が外周端１４０まで設けられる点で、図７に示す半導体装置１００と異なる。

本例においては、上面電極５０のＹ軸正側の外周端の位置およびＹ軸負側の外周端の位置は、半導体チップ３８のＹ軸正側の外周端１４０−１の位置およびＹ軸負側の外周端１４０−２の位置と一致している。また、上面電極５０のＸ軸正側の外周端の位置およびＸ軸負側の外周端の位置は、半導体チップ３８のＸ軸正側の外周端１４０−３の位置およびＸ軸負側の外周端１４０−４の位置と一致している。この場合においては、部分電極５３−４は、半導体チップ３８のＹ軸正側の外周端１４０−１からＹ軸負側の外周端１４０−２まで設けられている。また、部分電極５３−４は、半導体チップ３８のＸ軸正側の外周端１４０−３からＸ軸負側の外周端１４０−４まで設けられている。

上面電極５０のＹ軸正側の外周端が、第１部分９２（または金属層６６）と重なる領域の外側、且つ、半導体チップ３８の外周端１４０−１よりも内側に配置され、上面電極５０のＹ軸負側の外周端が、当該領域の外側、且つ、外周端１４０−２よりも内側に配置される場合、部分電極５３−４は、上面電極５０のＹ軸負側の外周端からＹ軸正側の外周端まで設けられていればよく、外周端１４０−１から外周端１４０−２まで設けられていなくてもよい。

同様に、上面電極５０のＸ軸正側の外周端が、第１部分９２（または金属層６６）と重なる領域の外側、且つ、半導体チップ３８の外周端１４０−３よりも内側に配置され、上面電極５０のＸ軸負側の外周端が、当該領域の外側、且つ、外周端１４０−４よりも内側に配置される場合、部分電極５３−４は、上面電極５０のＸ軸負側の外周端からＸ軸正側の外周端まで設けられていればよく、外周端１４０−３から外周端１４０−４まで設けられていなくてもよい。

本例においては、部分電極５３−４が市松模様に設けられ、且つ、複数の部分電極５３−４は、角部５３−５において相互につながって一体化した部分電極５３を形成している。また、部分電極５３−４は第１方向に外周端１４０−１から外周端１４０−２まで設けられ、第２方向に外周端１４０−３から外周端１４０−４まで設けられる。このため、上面電極５０のうち第１部分９２と面接触するはんだ部７０の下方に配置される領域に発生した亀裂は、複数の部分電極５３−４を経由しなければ、外周端１４０まで到達しない蓋然性が高くなる。このため、図３および図４に示す例よりもさらに、当該亀裂が半導体チップの外周端１４０に到達しにくくなる。このため、半導体装置１００を長寿命化することができる。また、半導体装置１００の信頼性を向上させることができる。

図９は、本発明の一つの実施形態に係る半導体装置１００の断面の他の一例を示す図である。本例の半導体装置１００は、図１に示す半導体装置１００における引出し部９０に代えて、導電ピン１９０を有する点で、図１に示す半導体装置１００と異なる。導電ピン１９０は、金属等の導電材料で形成される。導電ピン１９０は半導体チップ３８の上方に設けられる。導電ピン１９０は、はんだ部１７０を通して半導体チップ３８の上面電極５０と電気的に接続されている。

図１０は、図９における領域Ｂの拡大図である。領域Ｂは、上面電極５０および引出し部９０の近傍の領域を含む。上面電極５０には、上面５１から下面５２まで貫通した開口部１５６が設けられている。開口部１５６は、上面電極５０の一部をエッチングすることにより形成してよい。開口部１５６は、金属層６６の下方、且つ、引出し部９０の下方に設けられる。開口部１５６には、第１材料と異なる第２材料を含む部分電極１５３が設けられる。第２材料は、銅であってよい。部分電極１５３は、銅（Ｃｕ）をめっきにより形成した電極であってよい。

本例の部分電極１５３は、シード層１５４−１と、導電部１５９とを有する。シード層１５４−１は、開口部１５６の底面１５７に設けられている。底面１５７は、上面電極５０の下面５２と同じＸＹ平面内にあってよい。導電部１５９は、シード層１５４−１の上方に設けられている。シード層１５４−１は、導電部１５９をめっきにより形成する場合に陰極として機能する。また、シード層１５４−１は、導電部１５９と半導体基板１０の上面との密着強度を安定化させる機能を有する。なお、シード層１５４−１と半導体基板１０の上面との間、および、上面電極５０の下面５２と半導体基板１０の上面との間に、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）等の層を設けてもよい。

部分電極１５３は、開口部１５６の側面１５８に設けられたシード層１５４−２をさらに有してもよい。側面１５８にシード層１５４−２が設けられない場合、導電部１５９をめっきにより形成すると、側面１５８と導電部１５９との間に空隙が生じる場合がある。当該空隙が生じると、上面電極５０に生じた応力が空隙近傍に集中し易く、上面電極５０が破壊し易い。側面１５８にシード層１５４−２が設けられると、当該空隙の発生を抑制することができる。このため上面電極５０に生じた応力の集中を抑制し、上面電極５０の破壊を抑制することができる。

シード層１５４は、上面電極５０を形成する第１材料よりもヤング率の高い材料で形成されてよい。また、シード層１５４は、導電部１５９を形成する第２材料よりもヤング率の高い材料で形成されてよい。シード層１５４は、タングステン（Ｗ）を含んでよい。シード層１５４は、タングステン（Ｗ）で形成されていてもよい。シード層１５４は、クロム（Ｃｒ）系の金属で形成されてもよい。シード層１５４は、下方から順にニッケル（Ｎｉ）／クロム（Ｃｒ）／銅（Ｃｕ）の３層構造であってもよい。

導電ピン１９０のＸ軸負側および正側の端部を、それぞれ端部Ｐｉ１および端部Ｐｉ２とする。導電ピン１９０とはんだ部１７０との接合面における、はんだ部１７０のＸ軸負側および正側の端部を、それぞれ端部Ｐｒ１'および端部Ｐｒ２'とする。部分電極１５３のＸ軸負側および正側の端部を、それぞれ端部Ｐｅ１および端部Ｐｅ２とする。

幅Ｗｒｆ'は、端部Ｐｒ１'と端部Ｐｒ２'との間のＸ軸方向における幅である。幅Ｗｅｈ'は、端部Ｐｅ１'と端部Ｐｅ２'との間のＸ軸方向における幅である。幅Ｗｐｉは、端部Ｐｉ１と端部Ｐｉ２との間のＸ軸方向における幅である。

本例において、幅Ｗｅｈ'は、幅Ｗｐよりも小さい。幅Ｗｅｈ'は、幅Ｗｐの１／１０以上１／５以下であってよい。部分電極１５３は、開口部１５６の全体に充填されていてよい。つまり部分電極１５３のＺ軸方向における幅は、上面電極５０のＺ軸方向における幅と同一であってよい。部分電極１５３のＸ軸方向における幅は、開口部１５６のＸ軸方向における幅と同一であってよい。

図１１は、導電ピン１９０の近傍の一例を示す上面図である。本例において、導電ピン１９０は、はんだ部１７０と面接触している。はんだ部１７０の下方には金属層６６が設けられる。図１１において、金属層６６が設けられる領域を一点鎖線部にて示している。金属層６６の周囲には、金属層６６を囲むように保護膜６０が設けられる。

部分電極１５３は、上面視で導電ピン１９０を囲うように設けられてよい。はんだ部１７０は、上面視で部分電極１５３を囲うように設けられてよい。部分電極１５３は、金属層６６および保護膜６０の下方に設けられる。図１１において、部分電極１５３が設けられる領域を破線およびハッチングにて示している。

半導体チップ３８の上面側において、部分電極１５３と同一のＸＹ平面内、且つ、部分電極１５３以外の領域には、上面電極５０が設けられている。ただし、上面電極５０の配置は、本例に限定されない。

半導体装置１００をパワーサイクル試験のように繰り返しスイッチング動作させた場合、上面電極５０のうち、上面視で導電ピン１９０と重なり、且つ、はんだ部７０の下方に配置される領域に、亀裂が発生しやすい。本例においては、当該領域を囲うように部分電極１５３を設けている。部分電極１５３を形成する第２材料のヤング率は、上面電極５０を形成する第１材料のヤング率よりも高いので、当該領域に亀裂が発生しにくい。このため、当該亀裂がＸＹ平面内において上面電極５０の外周端まで進展することを抑制することができる。このため、半導体装置１００を長寿命化することができる。また、半導体装置１００の信頼性を向上させることができる。

導電ピン１９０の上面視における形状は、特に限定されない。本例においては、上面視で導電ピン１９０が円状であるが、矩形状等、他の形状であってもよい。部分電極１５３の上面視における形状は、特に限定されない。本例においては、上面視で部分電極１５３が円状であるが、矩形状等、他の形状であってもよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１０・・・半導体基板、１２・・・放熱ベース、１４・・・接合材料、１６・・・導体層、２０・・・ケース部、２１・・・配線基板、２２・・・絶縁基板、２４・・・側壁、３０・・・配線層、３２・・・入出力端子、３８・・・半導体チップ、４０・・・接合材料、５０・・・上面電極、５１・・・上面、５２・・・下面、５３・・・部分電極、５４・・・シード層、５６・・・開口部、５７・・・底面、５８・・・側面、５９・・・導電部、６０・・・保護膜、６６・・・金属層、７０・・・はんだ部、７４・・・配線、８０・・・樹脂、９０・・・引出し部、９２・・・第１部分、９３・・・第２部分、９４・・・脚部、９５・・・脚部、９６・・・架橋部、１００・・・半導体装置、１４０・・・外周端、１５３・・・部分電極、１５４・・・シード層、１５６・・・開口部、１５７・・・底面、１５８・・・側面、１５９・・・導電部、１７０・・・はんだ部、１９０・・・導電ピン

Claims (9)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板の上方に設けられた第１材料を含む上面電極と、
   前記上面電極の上面から下面まで貫通した開口部に設けられた、第１材料と異なる第２材料を含む部分電極と、
   前記上面電極の上方に設けられ、前記上面電極に電気的に接続される引出し部と、
   を備え、
   前記部分電極は、前記半導体基板の上面視で、予め定められた第１方向に沿って、前記引出し部の前記第１方向における一方の端部位置から他方の端部位置まで、連続的に設けられ、
   前記部分電極は、前記半導体基板の上面視で、前記第１方向と異なる予め定められた第２方向に沿って、前記引出し部の前記第２方向における一方の端部位置から他方の端部位置まで、連続的に設けられ、
   前記部分電極は、前記第１方向に沿った部分と前記第２方向に沿った部分との交差部を有し、
   前記部分電極は、前記半導体基板の上面視で、前記引出し部の内側に前記交差部を有し、前記引出し部の外側に前記交差部を有さず、
   前記第２材料のヤング率が、前記第１材料のヤング率より高い、
   半導体装置。
2. 前記上面電極の上方には開口を有する保護膜が設けられ、
   前記部分電極の少なくとも一部は前記保護膜の下方に設けられる、
   請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記半導体基板の上面視で、前記交差部と前記引出し部とが重なる面積が、前記引出し部の面積の１／２以上である、請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 前記部分電極は、シード層と、導電部とを有し、
   前記シード層は、前記開口部の底面に設けられ、
   前記導電部は、前記シード層の上方に設けられる、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体装置。
5. 前記シード層が前記開口部の側面に設けられる、請求項４に記載の半導体装置。
6. 前記シード層はタングステンを含む、請求項４または５に記載の半導体装置。
7. 前記上面電極はアルミニウムを含み、
   前記部分電極は銅を含む、
   請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体装置。
8. 前記部分電極は多結晶の金属である、請求項１から７のいずれか一項に記載の半導体装置。
9. 前記上面電極および前記部分電極の上方に、ニッケルを含む金属層が設けられる、請求項１から８のいずれか一項に記載の半導体装置。

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