半导体装置的制作方法

1.本技术涉及半导体装置。


背景技术：

2.在以往的模制密封技术中，通常仅利用模制树脂来密封半导体芯片上部，由此实现确保半导体芯片的电绝缘性、和防止由来自半导体器件外部的物理性冲击引起的破损。另一方面，由于模制树脂具有热传导率明显低的特征，因此半导体芯片的自发热几乎不从模制树脂散热，而是通常从形成于安装有半导体器件的多层印刷基板等的背面的接地电极面散热(例如，参照下述的专利文献1、2)。
3.专利文献1：日本特开平3
‑
062955号公报
4.专利文献2：日本特开2013
‑
183069号公报
5.以往的半导体器件由于如以上这样构成，因此存在以下这样的问题。首先，若超过200℃左右的温度长时间驱动半导体芯片，则模制树脂烧接于半导体芯片，使半导体芯片发生故障。另外，近年，以gan on sic(在碳化硅基板上进行结晶生长的氮化镓制的半导体器件)为代表，随着半导体芯片的高输出化、高电力密度化，而自发热增大，但由于仅靠经由多层印刷基板的填充通孔(filled via)的从接地电极面的散热不充分，因此难以实现高频特性、或长期可靠性的目标性能。另外，由于模制树脂进入到半导体芯片的电极间而产生寄生电容，使高频特性劣化。另外，由于模制树脂不防止水分从外部空气侵入，所以水分到达半导体芯片，导致作为半导体器件的耐湿性劣化。并且，在同时驱动多个半导体芯片时，泄漏电磁场在半导体芯片之间干扰，使高频特性劣化。


技术实现要素：

6.本技术公开了用于解决上述课题的技术，目的在于提供一种实现以下内容的半导体装置。
7.(1)即使驱动半导体芯片，模制树脂也不会烧接于半导体芯片。
8.(2)能够减小半导体器件整体的热阻，容易实现高频特性或长期可靠性的目标性能。
9.本技术所公开的半导体装置具备：
10.基板；
11.半导体芯片，配置于上述基板的表面；以及
12.盖，与上述基板的表面接合，并覆盖上述半导体芯片。
13.根据本技术所公开的半导体装置，起到如下效果：即使驱动半导体芯片，模制树脂也不会烧接到半导体芯片，能够减小半导体装置整体的热阻，容易实现高频特性或长期可靠性的目标性能。
附图说明
14.图1是表示实施方式1所涉及的半导体装置的整体构造的俯视图。
15.图2是实施方式1的半导体装置的局部放大剖视图。
16.图3是实施方式1的半导体装置的局部放大俯视图。
17.图4是图3的立体示意图。
18.图5是实施方式2的半导体装置所涉及的半导体芯片周边的俯视图。
19.图6是实施方式2的半导体装置所涉及的半导体芯片周边的第一剖视图。
20.图7是实施方式2的半导体装置所涉及的半导体芯片周边的第二剖视图。
21.图8是实施方式2的半导体装置所涉及的半导体芯片周边的第三剖视图。
22.图9是图7的立体示意图。
23.图10是实施方式3的半导体装置所涉及的半导体芯片周边的剖视图。
24.图11是实施方式4的半导体装置所涉及的半导体芯片周边的俯视图。
25.图12是实施方式4的半导体装置所涉及的半导体芯片周边的剖视图。
26.图13是实施方式5的半导体装置所涉及的半导体芯片周边的俯视图。
具体实施方式
27.实施方式1
28.以下，对实施方式1的半导体装置进行说明。
29.图1是表示该半导体装置的整体图像的俯视图(其中，cu盖、模制树脂除外)，图2是对图1的半导体装置中的半导体芯片及其附近进行放大示出的图1的纵向的剖视图，图3是对图1的半导体装置中的半导体芯片及其附近进行放大示出的俯视图(其中，cu盖、模制树脂除外)。此外，以下，将图1的横向称为x方向，将纵向称为y方向，将与xy面垂直的方向(印刷基板的厚度方向)称为z方向。
30.在图1、图2中，实施方式1的半导体装置以在其构造包中含如下部件为前提：半导体芯片1(在本实施方式中，如图2所示，成为gan on sic的结构)、au线2、烧结银3(也称为ag膏3。以下相同)、cu盖4、smd部件5(smd是surface mount device(表面安装器件)的简称。以下相同)、印刷基板6、模制树脂7、以及陶瓷制的副安装座(sub
‑
mount)8。其中，如图2所示，烧结银3以夹着副安装座8的结构设置。另外，模制树脂7构成为包围cu盖4的周围。
31.另外，在图2中，印刷基板6从图的下侧开始依次由如下部件构成：接地电极面10、由多层构成的树脂层11、将该接地电极面10与cu芯9电连接的填充通孔12、周边图案13等。在该图中，填充通孔12以贯通树脂层11中的靠近接地电极面10侧的两层的方式设置。此外，更详细而言，上述周边图案13相当于第一层cu布线图案14(以下，也称为l1层14)。
32.另外，图3是半导体装置所涉及的半导体芯片周边的俯视图，是为了补充图1，而放大示出其一部分的图。在该图中，半导体芯片1通过输入线2a与周边图案13b连接，通过输出线2b与周边图案13c连接。另外，周边图案13a中的由上侧部分和下侧部分的虚线围起的框p，表示经由cu盖4与cu芯9的接合材料亦即烧结银3的接触区域。此外，由两处点划线表示的部位是开放孔的位置。
33.这里，cu盖为了避免与输入线2a以及输出线2b的接触，即以非接触的方式对线进行布线，而具有如图2所示带有空间上开放的开放孔(参照图中由虚线的框线表示的部分)
的隧道构造，其截面形状为c字型。此外，该截面形状只要是能够避开半导体芯片与au线的接触的构造即可，并不局限于c字型，也可以为u字型等。cu盖的形状被加工成与印刷基板的cu芯9接触的接触面积最大，同时与半导体芯片的距离最短，并安装于印刷基板。
34.此外，图4是为了以立体方式明确以上说明中的cu盖和au线的配置状态，而通过使用了立体图的示意图对上述的配置状态进行示出的。通过该图，可以看到通过设置于cu盖4的隧道构造(在该图中，由点划线表示的两处平行四边形部分表示开放孔的位置)，分别与半导体芯片1和周边图案13a、半导体芯片1和周边图案13b连接的输入线2a、输出线2b不与cu盖4接触的情况。
35.在本实施方式1中，半导体芯片的自发热首先朝向cu芯9扩散。其后，在接地电极面10侧，由于印刷基板的树脂层11(以fr4等为材质。这里，fr4是flame retardant type 4的简称)与填充通孔12的热传导率的差异(例如，fr4约为0.3w/m*k，铜为400w/m*k)，绝大多数的热从填充通孔12传热。假设填充通孔12为50个左右的直径1.0
×
10
－4
m、高度1.4
×
10
－4
m的尺寸的通孔。这里，w：瓦特、m：米、k：开尔文温度(以下相同)。
36.另一方面，在cu盖侧，经由cu盖固定用的烧结银向cu盖的顶面侧传热。
37.这样，通过将接地电极面10以及cu盖顶面侧分别通过焊料以及热传导膏等而固定于最终产品的壳体，由此能够在上下两个方向上确保半导体器件的散热路径。
38.这里，对于烧结银，通过选择高散热类型(例如热传导率约为150w/m*k)，能够将从半导体芯片到cu盖的热阻设为从半导体芯片到接地电极面的热阻(约1k/w)的一半左右。
39.若将其换算为具体的cu盖的尺寸，则金属材料的热阻与其电阻成比例，其比例常数由体积电阻率与热传导率之积规定，因此大致成为以下的值。与从半导体芯片到接地电极面的热阻相关的cu芯的尺寸为，从图6所示的截面观察，面积约为7
×
10
－6
m2，厚度约为2.5
×
10
－4
m，相对于此cu盖的尺寸为，两腿部的面积约为7
×
10
－6
m2，厚度约为2.5
×
10
－4
m，顶部(后述)的面积约为7
×
10
－6
m2，厚度约为6
×
10
－4
m。
40.此外，在专利文献1的图2、图3中提出有在半导体芯片背面设置散热板并使其暴漏在封装背面的构造，但该散热板在散热板的侧面接合有金属制盖，从半导体芯片向外部的散热路径必然变远，这一点与本实施方式本质上不同。因此，认为专利文献1所提出的构造对半导体器件的散热几乎没有贡献。
41.在本实施方式中，由于能够在半导体芯片正上方直接设置散热路径，所以与仅从印刷基板的接地电极面散热的以往技术相比，能够大幅降低产品的热阻。
42.另外，在专利文献2的图10中提出有安装于电路基板上的元件安装区域的半导体芯片和覆盖半导体芯片的金属制盖、以及仅覆盖金属制盖侧面的密封体的构造。在该图10所提出的构造中，在金属制盖的元件安装区域未安装金属制盖，这一点与本实施方式不同。
43.因此，在专利文献2所公开的构造中，可以认为金属制盖与半导体芯片的分离相当大，因此难以认为金属制盖对半导体芯片的自发热的散热有效地发挥功能。
44.在本实施方式中，通过将半导体芯片和金属制盖直接安装于cu芯，从而半导体芯片的自发热经由cu芯，能够在半导体芯片正上方直接设置散热路径，因此与仅从印刷基板的接地电极面散热的以往技术相比，能够大幅降低产品的热阻。
45.即，为了防止半导体装置因自发热而使动作特性或可靠性劣化，在具有用模制树脂密封半导体芯片的构造的半导体装置中，能够防止因模制树脂的物性而使动作特性或可
靠性劣化的情况。
46.以下，对本构造的制作方法进行说明。
47.(1)在具有cu芯的印刷基板涂覆烧结银后，安装半导体芯片、副安装座以及cu盖，并加热至烧结银的热固化温度(200℃左右)，使烧结银热固化。暂时热固化的烧结银的熔点为数百℃。
48.(2)对au线进行线接合。
49.(3)通过焊料，安装片式电感器5a、片式电阻5b、以及片式电容器5c等smd部件5。
50.(4)在印刷基板的整个表面对模制树脂进行传递成型。
51.(5)用研磨装置切削模制顶面，使cu盖的顶面暴露。
52.以上，虽然对接合材料以热传导率通常为150w/m＊k左右的值的高性能烧结银为前提进行了说明，但只要热传导率为30w/m＊k以上，就能够将从半导体芯片向cu盖侧的热阻抑制为比从半导体芯片向cu芯侧的热阻低。另外，虽然以cu芯的使用为前提进行说明，但并不局限于此，只要是具有与cu芯同等以上的散热性能的物质且能够用烧结银接合的芯，就能够作为代替cu芯的芯来应用。并且，对线以au线为前提进行了说明，但并不局限于此，即使是cu线也起到同样的效果。
53.另外，以上，作为构成本实施方式的半导体装置的基板，使用代表性称呼即“印刷基板”进行了说明，但并不局限于此，也可以称为通常的称呼即电子电路基板(陶瓷基板也包含在其中)也无妨。以下，将这些统称为基板。
54.另外，以上，也可以没有cu芯，而是将半导体芯片直接安装于基板。另外，cu芯也可以不埋入于基板，而是处于基板的表面上。另外，虽然将烧结银用于接合，但只要能够满足器件的散热条件，也可以使用焊料、或粘合剂。并且，虽然假设由填充通孔来承担cu芯与接地电极之间的散热，但也可以没有填充通孔。
55.实施方式2
56.此外，在上述实施方式1中，示出了cu盖的形状为了避免与输入线以及输出线的接触而具有隧道构造，但如图5那样，也可以设置堵塞隧道构造的出入口的壁(将先前的图2、图4所示的开放部分亦即点划线的框线的内部、或图3所示的开放部分亦即两处点划线部分填埋的壁)。此时，在为了将输入线以及输出线引出到外部而进行中继的中继图案13d的正下方，设置作为通孔的上部填充通孔12a。之所以如上所述设置在正下方，是为了缩短半导体芯片的输入输出间的电距离，而消除线等的追加必要性。
57.在图5中，半导体芯片1通过输入线2a以及输出线2b而与左右的中继图案13d分别连接。在该各中继图案，在其正下方设置有与信号电极相连的上部填充通孔12a。并且，配置于中央部分的周边图案所示的由虚线包围的上下两个框p表示有助于散热的cu芯与cu盖的接触区域。另外，在配置于上述中央部分的周边图案的左右侧配置的周边图案内所分别示出的由空白虚线包围的框q1是对散热没有贡献的l1层与cu盖的接触区域。
58.图6、图7是从两个方向表示图5的截面形状的图。图6是对图5的半导体装置中的半导体芯片及其附近进行放大示出的图5的y方向的剖视图(参照截面aa)，图7是对图5的半导体装置中的半导体芯片及其附近进行放大示出的图5的x方向的剖视图(参照截面bb)。另外，图8为了对图5所示的上部填充通孔12a的详细情况进行说明，而示出了图5的y方向的截面且是与图6不同的截面cc的剖视图。
59.在图7中，与烧结银3的下表面相接地设置有l1层14。而且，以cu盖的一部分突出到其高度位置相对于该l1层14的高度方向的位置低的部位的形态形成。该一部分突出的部分为cu盖凸部4b，成为与cu芯9接触的接触部。
60.另外，如图8所示，在为了将输入线以及输出线引出到外部而进行中继的中继图案13d的正下方，设置有作为通孔的上部填充通孔12a。该上部填充通孔12a经由设置于其下部的两个填充通孔12而与第四层的cu布线图案15相连。通过这样的结构，不追加设置线等，就能够缩短半导体芯片的输入输出间的电距离。
61.图9为了以立体方式示出图7所示的cu盖的构造，作为仅将cu盖以三维表示的情况下的图像示出了立体图。如图9所示，在图7中说明的cu盖凸部4b形成有两处。而且，在该图9中，施以图案的矩形部分相当于顶部16。
62.在实施方式1中，cu盖的隧道构造为了避开输入线或输出线的干扰而开放，但在该实施方式2中，在cu盖的隧道构造的出入口设置有壁，并与印刷基板的l1层的图案接合，由此成为将半导体芯片和au线进行气密密封的构造。
63.由此，除实施方式1的效果外，还得到以下效果。
64.(1)在半导体芯片的高温动作时，通过防止模制树脂烧接于芯片，能够提高半导体芯片能够无故障地动作时的活性层温度。
65.(2)模制树脂不进入到半导体芯片的源极、栅极等电极构造的缝隙，因此不产生寄生电容，能够防止高频特性的劣化。
66.(3)通过cu盖和cu芯密闭半导体芯片，防止水分从模制树脂向芯片侵入，由此产品的耐湿性高。
67.(4)cu盖的顶部的截面积扩大，除上述的项目(1)的内容外，还能够降低模制顶面侧的热阻。
68.(5)能够防止来自半导体芯片的电磁场泄漏。
69.实施方式3
70.在实施方式2中，在将接地电极面设为高度的基准时使模制树脂的顶面与cu盖的顶面的高度一致，但也可以设为在模制树脂成型时使模制的高度比cu盖的高度低而使cu盖上部暴露的构造。
71.图10是用于说明该cu盖暴露部的图，且是与实施方式2的图6相当的剖视图。如该图所示，在本实施方式中，成为cu盖的一部分模制树脂7的上侧表面突出的形态。该突出的部分为cu盖暴露部4a。
72.在这种情况下，由于成为允许cu盖从模制树脂7的上侧表面露出的形态，所以能够节省用研磨装置切削出cu盖顶面的工序，从而能够降低加工费。
73.实施方式4
74.在实施方式2中，虽然将半导体芯片的个数设为一个，但在安装多个半导体芯片的情况下，也可以构成为具备多个cu盖的隧道构造。例如，若半导体芯片的个数为两个，则能够设为具有两个隧道构造。
75.图11以俯视图示出具有两个隧道构造的情况下的半导体装置的一个例子。图12是关于该图11的截面dd的剖视图。可知与半导体芯片的个数对应地具有两个隧道构造。
76.在图11中，与两个半导体芯片1的每一个对应地，在输入侧和输出侧分别设置一个
中继图案13d。在俯视观察时，在与各中继图案13d的内侧相当的位置分别配置有与信号电极相连的上部填充通孔12a，以使得不需要多余的电极间连接用线。另外，由虚线包围的框p表示cu盖与cu芯的接触区域(全部为3处)，由空白虚线包围的框q1表示cu盖与l1层的接触区域(左右两处)。这里框q1也与实施方式2中的框q1同样，成为c字型的形状。
77.如图12所示，在本实施方式中，与上述实施方式2不同，与两个半导体芯片1的每一个对应地，在左右侧分别设置有一个隧道构造。另外，在两个半导体芯片1的下方位置，与各半导体芯片对应地配置有填充通孔12。上述以外的构造与实施方式2大致相同。
78.如上述那样，在将多个半导体芯片接近地安装的情况下，不是将芯片的自发热的排热路径限定于芯片单侧，而是确保在两侧，由此能够缓和相邻的半导体芯片彼此的热干扰。
79.实施方式5
80.实施方式5的半导体装置在安装多个半导体芯片的情况下，cu盖的隧道构造彼此在空间上完全分离，并且具备多个这样的构造。在该情况下，若半导体芯片为两个则具有两个隧道构造，这与实施方式4相同，但cu盖与第一层的cu布线的接触区域的形状不同。
81.具体而言，在实施方式4的形态的基础上，作为cu盖安装用，还在中继焊盘之间准备了电极。图13示出了该情况下的俯视图。如该图所示，本实施方式5中的表示cu盖与l1层的接触区域的形状的由空白虚线包围的q2的特征在于，从实施方式4中的框q1的c字型的形状变化为e字型的形状。由此，形成使各半导体芯片、线以及中继图案作为一体组合而成的组合构成体相互分离并且密闭的密闭构造。
82.在实施方式5中，能够使多个半导体芯片与输入线以及输出线在空间上完全分离。即，除实施方式2的效果外，能够在空间上分离由多个半导体芯片彼此产生的电磁场，因此能防止由芯片彼此的电磁波干扰引起的特性变动。
83.实施方式6
84.实施方式6的半导体装置为维持实施方式1～5中的半导体装置的构造的状态下仅将cu盖的材质从cu置换为人造金刚石而成的。
85.通过将cu盖的材质从cu置换成人造金刚石，而起到以下效果。首先，利用人造金刚石能够与顶面电绝缘，因此消除了因使用cu盖时那样电涌等从盖顶面施加而导致芯片被esd破坏(这里，esd是electro static discharge的缩写)的顾虑。另外，在使用人造金刚石的情况下，与cu相比，热传导率约成为5倍，由此能够更有助于降低热阻。
86.在本技术中记载了各种例示的实施方式以及实施例，但一个或多个实施方式所记载的各种特征、形态以及功能并不限定于特定的实施方式的应用，也可以单独或以各种组合应用于实施方式。
87.因此，在本技术所公开的技术范围内能够想到未例示的无数的变形例。例如，包括对至少一个构成要素进行变形的情况、追加的情况或省略的情况，还包括抽取至少一个构成要素与其他实施方式的构成要素组合的情况。
88.具体而言，对例如将cu以及人造金刚石作为盖的材质的情况进行了说明，但并不局限于此，即使使用ag也能够期待同等的效果。
89.附图标记说明
90.1...半导体芯片；2...au线；2a...输入线；2b...输出线；3...烧结银(ag膏)；
4...cu盖；4a...cu盖暴露部；4b...cu盖凸部；5...smd部件；5a...片式电感器；5b...片式电阻；5c...片式电容器；6...印刷基板；7...模制树脂；8...副安装座；9...cu芯；10...接地电极面；11...树脂层；12...填充通孔；12a...上部填充通孔；13、13a、13b、13c...周边图案；13d...中继图案；14...第一层cu布线图案；15...第四层cu布线图案；16...顶部。