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JP2012253125A - 半導体装置及び配線基板 - Google Patents

半導体装置及び配線基板 Download PDF

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JP2012253125A JP2011123277A JP2011123277A JP2012253125A JP 2012253125 A JP2012253125 A JP 2012253125A JP 2011123277 A JP2011123277 A JP 2011123277A JP 2011123277 A JP2011123277 A JP 2011123277A JP 2012253125 A JP2012253125 A JP 2012253125A
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copper
thermal expansion
layer
semiconductor device
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JP2011123277A
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Takahiro Sugimura
貴弘 杉村
Takashi Chikuno
孝 築野
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Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Priority to PCT/JP2012/059406 priority patent/WO2012165045A1/ja
Priority to TW101114761A priority patent/TW201304061A/zh
Priority to US13/485,018 priority patent/US20120306086A1/en
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Abstract

【課題】高い信頼性を実現し得る半導体装置、及び、半導体素子が搭載される配線基板を提供する。
【解決手段】半導体装置は１０、絶縁性基板１２１と、縁性基板１２１の第１の主面１２１ａ上に形成される配線層１２２と、配線層１２２上に搭載される半導体素子１４と、を備える。この半導体装置１０において、配線層１２２は、銅と、銅より熱膨張係数が小さい金属とを含む第１の銅含有材料から構成されており、第１の銅含有材料の熱膨張係数は、銅の熱膨張係数より小さい。また、絶縁性基板１２１の第１の主面１２１ａと反対側の第２の主面１２１ｂ上に形成される放熱層１２３と、放熱層１２３を介して絶縁性基板１２１と接合されるヒートシンク１６とを備える。この放熱層１２３は、銅を含む第２の銅含有材料から構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置及び配線基板に関する。
半導体装置の一例として、配線基板と、配線基板上に実装される半導体素子とを備えた半導体装置が知られている（非特許文献１参照）。上記配線基板としては、銅配線と、銅からなる放熱層とでセラミック基板が挟み込まれたサンドイッチ構造を有するＤＢＣ(Direct Bonding Copper)基板が採用されている。半導体素子は、配線基板の銅配線上に半田付けされることで固定され、半導体素子の上部（絶縁性基板と反対側）の電極と銅配線とがアルミワイヤなどに電気的に接続される。上記銅配線には、外部接続のための端子が半田付けされ、この端子により半導体装置が駆動される。
岩室憲幸ほか著、「ＳｉＣ／ＧａＮ パワーデバイスの製造プロセスと放熱・冷却技術」、第１版、株式会社技術情報協会、２０１０年２月２６日、ｐ１２０
しかしながら、半導体装置が駆動されると、駆動により半導体装置が熱を帯びる。この場合、半導体素子を構成する半導体と、銅との熱膨張係数の差により、半導体素子と配線との接合部に熱歪み又は応力が生じる。その結果、上記接合部にクラックなどが生じて半導体装置が破損するおそれがある。そのため、半導体装置の信頼性の向上が求められていた。
そこで、本発明は、高い信頼性を実現し得る半導体装置及び配線基板を提供することを目的とする。
本発明の一側面に係る半導体装置は、絶縁性基板と、縁性基板の第１の主面上に形成される配線層と、配線層上に搭載される半導体素子と、を備える。上記配線層は、銅と、銅より熱膨張係数が小さい金属とを含む第１の銅含有材料から構成されており、第１の銅含有材料の熱膨張係数が銅の熱膨張係数より小さい。
この構成では、配線層が、銅の熱膨張係数より小さい熱膨張係数を有する第１の銅含有材料から構成されている。よって、半導体素子と配線層との熱膨張係数差は、例えば、配線層が銅で構成されている場合より小さい。この場合、半導体装置の駆動により熱が生じても、半導体素子と配線層との接合部分に生じる熱歪み又は熱応力が低減する。その結果、半導体装置が安定して駆動され得るので、半導体装置の信頼性が向上する。
一実施形態において、上記第１の銅含有材料は、銅で構成される第１の層と上記金属で構成される第２の層とが積層された積層構造を有する複合材料であり得る。また、上記第１の銅含有材料は、銅と上記金属とを含む合金であり得る。第１の銅含有材料が上記複合材料である場合、第１の銅含有材料の作製が容易である。また、第１の銅含有材料が上記合金である場合、第１の銅含有材料の熱膨張係数をより調整しやすい。
第１の銅含有材料が複合材料である場合、その複合材料は、第１の層、第２の層及び第３の層がこの順に積層されて構成され得る。この場合、銅からなる第１の層で第２の層が挟まれるので、配線層の表面は銅から構成される。その結果、配線層を銅から構成した場合と同様にして、絶縁性基板に配線層を接合し得る。
一実施形態において、上記金属は、モリブデン又はタングステンであり得る。
一実施形態において、半導体装置は、絶縁性基板の第１の主面と反対側の第２の主面上に形成される放熱層と、放熱層を介して絶縁性基板と接合されるヒートシンクと、を備え得る。この形態では、放熱層は、銅を含む第２の銅含有材料から構成され得る。そして、第２の銅含有材料の熱膨張係数は、絶縁性基板の熱膨張係数より大きくヒートシンクの熱膨張係数以下であり得る。
上記第２の銅含有材料から構成される放熱層を介して、絶縁性基板とヒートシンクとが接合されるので、絶縁性基板とヒートシンクとの間の熱膨張性係数差が緩和され得る。その結果、絶縁性基板とヒートシンクとの間の熱応力等が低減する。そのため、半導体装置の信頼性がより向上する。
一実施形態において、第２の銅含有材料の組成は、第１の銅含有材料の組成と同じであり得る。この場合、絶縁性基板の第１の主面と第２の主面に同じ材料が設けられるので、絶縁性基板が反りにくい。
一実施形態において、半導体素子を構成する半導体が、ワイドバンドギャップ半導体であり得る。ワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体素子を備えた半導体装置は、より高温で駆動される。そのため、上記第１の銅含有材料を用いることで、より半導体装置の信頼性を挙げることが可能である。
本発明の他の側面は、半導体素子が搭載される配線基板に係る。この配線基板は、絶縁性基板と、絶縁性基板の主面上に形成され、半導体素子が搭載される配線層と、を備える。上記配線層は、銅と、銅より熱膨張係数の小さい金属とを含む銅含有材料から構成されており、銅含有材料の熱膨張係数が銅の熱膨張係数より小さい。
この構成では、配線層が、銅より熱膨張係数は銅より小さい銅含有材料から構成されるので、半導体素子と配線層との熱膨張係数差は、例えば、配線層が銅で構成されている場合より小さい。そのため、半導体素子の駆動により熱が生じても、半導体素子と配線層との間に生じる熱歪み又は熱応力が低減する。その結果、配線基板に搭載された半導体素子が安定して駆動され得るので、配線基板と半導体素子とを含む装置の信頼性が向上する。
本発明によれば、高い信頼性を実現し得る半導体装置、及び、半導体素子が搭載される配線基板を提供し得る。
図１は、一実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面図である。 図２は、図１に示した半導体装置が備える配線基板の一例の斜視図である。 図３は、図２に示した配線基板が備える配線層の構成の一例を示す模式図である。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。説明中、「上」、「下」等の方向を示す語は、図面に示された状態に基づいた便宜的な語である。
図１は、一実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面図である。図２は、図１に示した半導体装置が備える配線基板の斜視図である。半導体装置１０は、配線基板１２と、配線基板１２に搭載される半導体素子１４と、配線基板１２に対して半導体素子１４と反対側に配置されるヒートシンク１６とを備えた半導体モジュールである。半導体装置１０は、例えば電源などに利用される電力用半導体装置であり得る。
半導体素子１４の例は、絶縁型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、接合型電界効果トランジスタ及びバイポーラトランジスタを含む。ＭＯＳＦＥＴの例は、縦型ＭＯＳＦＥＴ及び横型ＭＯＳＦＥＴを含み得る。半導体素子１４を構成する半導体の例はＳｉＣ及びＧａＮとしたワイドバンドギャップ半導体及びＳｉを含む。
配線基板１２は、図１及び図２に示すように、絶縁性基板１２１と、絶縁性基板１２１の表面（第１の主面）１２１ａ上に設けられる配線層１２２とを有する。配線層１２２は、ロウ材などを介して又は直接的に絶縁性基板１２１に接合され得る。絶縁性基板１２１の平面視形状の例は長方形及び正方形を含み得る。一実施形態において、絶縁性基板１２１の材料の一例は、アルミナ（熱膨張係数：約７．０×１０−６／Ｋ）である。配線層１２２は、互いに絶縁された複数の導電性の配線領域(以下、単に配線と称す）１２２Ａ，１２２Ｂを備える。複数の配線１２２Ａ，１２２Ｂは、所定の配線パターンで配置されている。図１では、２つの配線１２２Ａ，１２２Ｂを例示しているが、配線は２つに限定されない。
配線層１２２の一部を構成する配線１２２Ａ上に半導体素子１４が搭載される。半導体素子１４は、配線１２２Ａに半田付けされている。すなわち、半導体素子１４と配線層１２２との間には接着層としての層状の半田１８Ａが介在する。半田１８Ａの一例は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系半田である。半導体素子１４が、縦型ＭＯＳＦＥＴの場合、半導体素子１４の下部はドレイン電極である。従って、半田１８Ａを利用して配線１２２Ａに半導体素子１４を固定することで、配線１２２Ａと半導体素子１４とが電気的に接続される。半導体素子１４の上部に設けられた電極は、アルミワイヤといったワイヤ２０を介して配線１２２Ｂと電気的に接続される。半導体素子１４が下部に電極を有しない場合は、配線１２２Ｂに接続される電極とは別に半導体素子１４の上部に設けられた電極と、配線１２２Ａとをワイヤボンディングして半導体素子１４と配線１２２Ａとを電気的に接続し得る。
端子２２Ａ，２２Ｂをそれぞれ半田１８Ｂなどによって配線１２２Ａ，１２２Ｂに固定することで、端子２２Ａ，２２Ｂを利用して半導体素子１４が外部接続され得る。半田１８Ｂの一例は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系半田である。ここでは、半導体素子１４と配線層１２２との接続関係の一例を示しているが、半導体素子１４は、配線層１２２に接続される端子２２Ａ，２２Ｂなどを利用して半導体素子１４が動作されるように半導体素子１４と配線層１２２とが電気的に接続されていればよい。
配線層１２２は、銅を含み、銅より熱膨張係数が小さい銅含有材料（第１の銅含有材料）から構成される。一実施形態では、銅含有材料の熱膨張係数は、銅の熱膨張係数より小さく半導体素子１４を構成する半導体の熱膨張係数以上とし得る。銅含有材料は、銅（熱膨張係数：約１６．８×１０−６／Ｋ）と、銅より熱膨張係数の小さい他の金属とを含む。このような銅含有材料は、複合材料又は合金であり得る。銅含有材料に含まれる銅と異なる他の金属の例は、モリブデン（熱膨張係数：約５．１×１０−６／Ｋ）、及びタングステン（熱膨張係数：約４．５×１０−６／Ｋ）を含む。銅含有材料は、銅より熱膨張係数が小さければ、銅と異なる上記他の金属を一種類含んでいればよい。従って、銅含有材料は、銅と異なる金属を２種類以上含んでもよい。
銅含有材料が、銅と、銅より熱膨張係数の小さい他の金属との複合材料である場合、その複合材料は、銅からなる層（第１の層）と、上記他の金属からなる層（第２の層）とが積層された積層構造を有し得る。
図３は、銅含有材料が複合材料とした場合の配線層の一例を示す模式図である。図３に示した形態では、配線層１２２は、銅より熱膨張係数の小さい金属からなる中間層（第２の層）１２２ａが銅からなる表層（第１の層）１２２ｂ，１２２ｂで挟まれた３層構造の複合材料によって構成されている。図３に示した形態では、絶縁性基板１２１と対向する面が銅で構成されている。この場合、配線層１２２を、例えばＤＢＣ(Direct Bonding Copper)基板の場合と同様に、直接絶縁性基板１２１に配線層１２２を接合し得る。複合材料の層構造は、２層構造でもよいし、４層以上の層構造でもよい。複合材料が３層以上である場合、各層を構成する材料は異なっていてもよい。
配線層１２２を構成する銅含有材料としての複合材料の一例は、図３に示した中間層２２ａがモリブデン（Ｍｏ）で構成されるＣｕ−Ｍｏ−Ｃｕ複合材料である。
また、銅と他の金属との合金としての銅含有材料の例は他の金属がタングステン（Ｗ）であるＣｕ−Ｗ合金である。
配線基板１２は、絶縁性基板１２１の表面１２ａと反対側の裏面（第２の主面）１２１ｂ上に、放熱層１２３を備えてもよい。放熱層１２３は、裏面１２１ｂ全体を覆うように形成され得る。放熱層１２３は、配線層１２２の場合と同様に、ロウ材などを介して又は直接的に裏面１２１ｂに接合され得る。このように放熱層１２３を有する場合、放熱層１２３は、銅を含む銅含有材料（第２の含有材料）から構成され得る。放熱層１２３を構成する銅含有材料の熱膨張係数は、絶縁性基板１２１の熱膨張係数より大きく且つヒートシンク１６の熱膨張係数以下である。
後述するように、一例としてヒートシンク１６が銅から構成される場合には、放熱層１２３を構成する銅含有材料は銅であり得る。しかしながら、放熱層１２３を構成する銅含有材料の組成は、配線層１２２を構成する銅含有材料の組成と同じであってもよい。すなわち、放熱層１２３を構成する銅含有材料は、配線層１２２を構成する銅含有材料として例示した複合材料又は合金であってもよい。放熱層１２３を構成する銅含有材料と、配線層１２２を構成する銅含有材料とが同じである場合、絶縁性基板１２１の表面１２１ａ側と裏面１２１ｂ側との間に熱膨張係数差が生じにくいので、配線基板１２に反りが生じにくい。
ヒートシンク１６は金属板である。ヒートシンク１６は、熱伝導率の高い金属から構成されていればよい。ヒートシンク１６を構成する金属の一例は銅である。ヒートシンク１６の平面視形状は長方形及び正方形を含む。一実施形態において、ヒートシンク１６は、配線基板１２の表面と反対側に半田１８Ｃを介して接合され得る。半田１８Ｃの一例は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系半田である。配線基板１２の裏面に放熱層１２３が形成されている場合、図１に示すように、絶縁性基板１２１とヒートシンク１６との間には、絶縁性基板１２１側から順に放熱層１２３及び層状の半田１８Ｃが挟まれ得る。
図１に示すように、半導体装置１０は、ヒートシンク１６を囲む枠状の樹脂ケース２４を有し得る。樹脂ケース２４の材料の例は、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）やポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）といったエンジニヤリングプラスチックである。この樹脂ケース２４は、ヒートシンク１６の外縁部に固定される。樹脂ケース２４の内側には、応力緩和のため、例えばシリコ−ンゲル２６が注入され得る。更に、図１に示すように、シリコンゲル２６内に埋設された配線基板１２及び半導体素子１４などは、エポキシ樹脂といった熱可塑性樹脂２８によって、更に気密に封止され得る。なお、シリコンゲル２６を介さずに、直接、熱可塑性樹脂２８によって、配線基板１２及び半導体素子１４などが埋設されてもよい。
上記構成の半導体装置１０では、半導体素子１４の熱膨張係数と、配線層１２２との熱膨張係数との差が小さくなるので、半導体装置１０の信頼性を向上できる。この点について、配線基板の配線が銅から構成された銅配線である場合と比較しながら説明する。
半導体装置に用いられる半導体素子の構成材料の例はＳｉＣ、ＧａＮ又はＳｉである。ＳｉＣの熱膨張係数は約４．２×１０−６／Ｋであり、ＧａＮの熱膨張係数は約５．６×１０−６／Ｋ、Ｓｉの熱膨張係数は、約３.０×１０−６／Ｋである。一方、銅の熱膨張係数は、約１６．８×１０−６／Ｋである。従って、仮に、配線が銅配線である場合、半導体素子と配線との間に大きな熱膨張係数差が生じる。この場合、半導体装置を駆動して熱が発生すると、上記熱膨張係数差によって、半導体素子と配線との間の接合部分（例えば、半田部分）に大きな応力がかかり、その接合部分にクラックなどが生じ、半導体装置が破損するおそれがある。
これに対して、半導体装置１０では、配線層１２２が、銅と、熱膨張係数が銅より小さい他の金属とを含む銅含有材料から構成されていることから、配線層１２２の熱膨張係数は銅より小さくなる。そのため、半導体素子１４と配線層１２２との間の熱膨張係数差が低減される。このように熱膨張係数差が低減されると、半導体装置１０を駆動して熱が発生したとしても、半導体素子１４と配線層１２２との接合部分に作用する応力がより小さくなるので、上記接合部分にクラックなどが発生しにくい。そのため、半導体装置１０の信頼性が向上する。換言すれば、配線層１２２を備えた配線基板１２を用いることによって、半導体装置１０の高い信頼性を実現し得る。
また、銅含有材料に含まれる銅の熱伝導率は、例えばタングステンやモリブデンの熱伝導率より高い。従って、配線層１２２が銅含有材料で構成されていることにより、例えばタングステンやモリブデンだけで配線層を構成する場合よりも放熱性もよい。そのため、上記熱膨張係数差による応力が更に低減されやすい。
配線層１２２が、図３に示したように、積層構造を有する複合材料によって構成される場合、銅含有材料の作製が容易である。図３に示したように、３層構造のうち表層１２２ｂを銅で構成した場合、ＤＢＣ基板と同様にして、配線層１２２を絶縁性基板１２１に固定し得る。
前述したように、配線層１２２を構成する銅含有材料は、銅と、銅より熱膨張係数の小さい他の金属との合金（例えば、Ｃｕ―Ｗ合金）であり得る。このような合金の場合には、他の金属の含有率を調整することで熱膨張係数を調整し得る。そのため、銅含有材料の熱膨張係数の調整が容易である。
更に、配線基板１２が放熱層１２３を備え、その放熱層１２３が、絶縁性基板１２１の熱膨張係数より大きくヒートシンク１６の熱膨張係数以下である熱膨張係数を有する銅含有材料から構成されている形態では、放熱層１２３とヒートシンク１６との間の熱膨張係数差も小さくなる。その結果、半導体装置１０が駆動により熱を帯びても、放熱層１２３とヒートシンク１６との間の接合部分（図１では、層状の半田１８Ｃ部分）にクラックなどの破損が生じにくい。よって、半導体装置１０の信頼性がより向上する。更に、配線層１２２の場合と同様に、銅含有材料のように銅を含有した材料で、放熱層１２３を構成することによって、例えばタングステンやモリブデンだけで放熱層を構成する場合よりも放熱性もよい。そのため、上記熱膨張係数差による応力が更に低減されやすい。
半導体素子１４を構成する半導体としてＳｉＣ又はＧａＮ等といったワイドバンドギャップ半導体を採用した場合、半導体素子１４は、半導体素子がＳｉから構成される場合より、高い温度で駆動され得る。この構成では、半導体装置１０を駆動した際に、高温になりやすい。そのため、上記のように配線層１２の材料を銅含有材料とすることによって、熱膨張係数差を低減することは、半導体装置１０の信頼性を向上させる観点から、特に有効である。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、半導体モジュールとしての半導体装置は、配線基板１２と半導体素子１４とから構成されるユニットが半導体装置であってもよい。
１０…半導体装置、１２…配線基板、１４…半導体素子、１６…ヒートシンク、１２１…絶縁性基板、１２１ａ…表面（第１の主面）、１２１ｂ…裏面（第２の主面）、１２２…配線層、１２３…放熱層。

Claims (8)

  1. 絶縁性基板と、
    前記縁性基板の第１の主面上に形成される配線層と、
    前記配線層上に搭載される半導体素子と、
    を備え、
    前記配線層が、銅と、銅より熱膨張係数が小さい金属とを含む第１の銅含有材料から構成されており、
    前記第１の銅含有材料の熱膨張係数が銅の熱膨張係数より小さい、
    半導体装置。
  2. 前記第１の銅含有材料は、銅で構成される第１の層と前記金属で構成される第２の層とが積層された積層構造を有する複合材料、又は、銅と前記金属とを含む合金である、請求項１記載の半導体装置。
  3. 前記複合材料は、前記第１の層、前記第２の層及び前記第１の層がこの順に積層されて構成される、
    請求項２記載の半導体装置。
  4. 前記金属は、モリブデン又はタングステンである、
    請求項１〜３の何れか一項記載の半導体装置。
  5. 前記絶縁性基板の前記第１の主面と反対側の第２の主面上に形成される放熱層と、
    前記放熱層を介して前記絶縁性基板と接合されるヒートシンクと、
    を備え、
    前記放熱層は、銅を含む第２の銅含有材料から構成され、
    前記第２の銅含有材料の熱膨張係数は、前記絶縁性基板の熱膨張係数より大きく前記ヒートシンクの熱膨張係数以下である、
    請求項１〜４の何れか一項記載の半導体装置。
  6. 前記第２の銅含有材料の組成は、前記第１の銅含有材料の組成と同じである、請求項５記載の半導体装置。
  7. 前記半導体素子を構成する半導体が、ワイドバンドギャップ半導体である、請求項１〜６の何れか一項記載の半導体装置。
  8. 半導体素子が搭載される配線基板であって、
    絶縁性基板と、
    前記絶縁性基板の主面上に形成され、前記半導体素子が搭載される配線層と、
    を備え、
    前記配線層が、銅と、銅より熱膨張係数の小さい金属とを含む銅含有材料から構成されており、
    前記銅含有材料の熱膨張係数が銅の熱膨張係数より小さい、
    配線基板。
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