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JP7524564B2 - Semiconductor device manufacturing method - Google Patents
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Description

この発明は、半導体装置の製造方法に関する。 This invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device.

パワー半導体モジュールは、1つまたは複数のパワー半導体チップを内蔵して、直流と交流の変換、直流同士、または交流同士の電圧電流変換接続の一部または全体を構成し、かつ、パワー半導体チップと積層基板または金属基板との間が電気的に絶縁された構造を持つパワー半導体デバイスである。パワー半導体モジュールは、産業用途としてエレベータなどのモータ駆動制御インバータなどに使われている。さらに近年では、車載用モータ駆動制御インバータに広く用いられるようになっている。車載用インバータでは、燃費向上のため小型・軽量化や、エンジンルーム内の駆動用モータ近傍に配置されることから、高温動作での長期信頼性が求められる。 A power semiconductor module is a power semiconductor device that incorporates one or more power semiconductor chips, forms part or all of a DC-AC conversion, DC-DC conversion, or AC-AC voltage/current conversion connection, and has a structure in which the power semiconductor chip is electrically insulated from the laminated substrate or metal substrate. Power semiconductor modules are used in industrial applications such as motor drive control inverters for elevators and the like. In recent years, they have also become widely used in vehicle motor drive control inverters. Vehicle inverters must be small and lightweight to improve fuel efficiency, and long-term reliability is required at high temperatures because they are placed near the drive motor in the engine room.

ここで、車載用パワー半導体モジュールは、産業用パワー半導体モジュールに比べ、設置空間の制約から小型、軽量化が求められる。また、モータを駆動するための出力パワー密度が高くなるため、運転時における半導体チップ温度が高くなるとともに、高温動作時の長期信頼性の要求も高まってきている。このため、高温動作・長期信頼性を有したパワー半導体モジュール構造が要求されてきている。 Compared to industrial power semiconductor modules, automotive power semiconductor modules are required to be smaller and lighter due to space restrictions. In addition, as the output power density for driving the motor increases, the temperature of the semiconductor chip during operation increases, and the demand for long-term reliability during high-temperature operation is also increasing. For this reason, there is a demand for a power semiconductor module structure that can operate at high temperatures and has long-term reliability.

ところが、従来の金属ワイヤによる金属ワイヤ配線方式ではワイヤ太さが通電時の電流密度に影響し、動作に必要な電流を流すにはワイヤ本数を増やす必要がある。このため、金属ワイヤ配線方式では、複数の金属ワイヤで半導体チップ上面と電極パターン間を接続する必要があり、パワー半導体モジュールのワイヤ接合面積が増えることでパワー半導体モジュール自体が大きくなる。 However, in conventional metal wire wiring methods using metal wires, the wire thickness affects the current density when electricity is passed through it, and it is necessary to increase the number of wires to pass the current required for operation. For this reason, in metal wire wiring methods, it is necessary to connect the top surface of the semiconductor chip to the electrode pattern with multiple metal wires, and the wire bonding area of the power semiconductor module increases, making the power semiconductor module itself larger.

そこで、これらを解決するために、従来の金属ワイヤ配線方式から、リードフレーム配線方式の検討が進められている。リードフレーム配線方式とは、金属板の型加工により成形されたリードフレーム配線を用いて、半導体チップを支持固定し、半導体チップと電極パターンとを接続する方式である。 In order to solve these problems, the lead frame wiring method is being considered instead of the conventional metal wire wiring method. The lead frame wiring method uses lead frame wiring formed by molding a metal plate to support and fix the semiconductor chip and connect the semiconductor chip to the electrode pattern.

図15は、従来構造のパワー半導体モジュールの電極部の構成を示す断面図である。図15に示すように、半導体基板上の半導体素子120上にソース電極となるAlSi(アルミニウムシリコン)電極121が設けられている。半導体基板上の半導体素子120は、半導体基板上にMOSゲート(金属-酸化膜-半導体からなる絶縁ゲート)構造(素子構造)が形成されている半導体素子である。 Figure 15 is a cross-sectional view showing the configuration of the electrode part of a power semiconductor module with a conventional structure. As shown in Figure 15, an AlSi (aluminum silicon) electrode 121 serving as a source electrode is provided on a semiconductor element 120 on a semiconductor substrate. The semiconductor element 120 on the semiconductor substrate is a semiconductor element in which a MOS gate (insulated gate made of metal-oxide film-semiconductor) structure (element structure) is formed on the semiconductor substrate.

半導体素子の電極周囲には、半導体素子内部へのイオンの拡散を防止し、半導体素子を絶縁するために、AlSi電極121上に第1保護膜(パッシベーション膜)122が成膜されている。従来、第1保護膜122として、SiN(窒化シリコン)膜、無機材料が使用されているが、有機材料であるポリイミド膜も多く使用されている。ポリイミド膜は、スピンコート法やインクジェット法などの湿式方式で成膜が行われ、無機材料の成膜よりもポリイミド膜の成膜は簡易であるという効果がある。 A first protective film (passivation film) 122 is formed on the AlSi electrode 121 around the electrodes of the semiconductor element to prevent ion diffusion into the semiconductor element and insulate the semiconductor element. Conventionally, SiN (silicon nitride) film and inorganic materials have been used as the first protective film 122, but polyimide film, which is an organic material, is also widely used. Polyimide films are formed by wet methods such as spin coating and inkjet methods, and have the advantage that polyimide films are easier to form than inorganic materials.

また、リードフレーム配線(不図示)をAlSi電極121にはんだ125で接合しやすくするためにNiP(ニッケルリン)の上部電極膜124が設けられる。第1保護膜122は、上部電極膜124をめっき法でNiP等を形成する際、上部電極膜124のめっきがAlSi電極121上に選択的に析出するよう、マスクとしての機能を有する。 In addition, a NiP (nickel phosphorus) upper electrode film 124 is provided to facilitate joining of the lead frame wiring (not shown) to the AlSi electrode 121 with solder 125. The first protective film 122 functions as a mask so that when the upper electrode film 124 is formed of NiP or the like by plating, the plating of the upper electrode film 124 is selectively deposited on the AlSi electrode 121.

また、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)等のパワー半導体モジュールでは、上部電極膜124と第1保護膜122が接する部分を選択的に覆うようにポリイミド膜である第2保護膜123が設けられる。第2保護膜123は、上部電極膜124と第1保護膜122との隙間を覆い、例えば、はんだ125などが半導体素子側へ侵入することを防止する機能を有する。 第2保護膜123は、はんだ125を形成する際のマスクとして機能する。 In addition, in a power semiconductor module such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), a second protective film 123, which is a polyimide film, is provided to selectively cover the portion where the upper electrode film 124 and the first protective film 122 contact each other. The second protective film 123 covers the gap between the upper electrode film 124 and the first protective film 122, and has a function of preventing, for example, solder 125 and the like from penetrating into the semiconductor element side. The second protective film 123 functions as a mask when forming the solder 125.

従来、パワー半導体モジュールでは、パワー半導体チップがオーバーコート樹脂等の封止樹脂によりケースに封止されている。オーバーコート樹脂で第1の導電配線層を被覆し、オーバーコート樹脂にプラズマを照射することによりその表面の粗化を行い、オーバーコート樹脂と封止樹脂層との密着を向上させる技術が公知である(例えば、下記特許文献1参照)。 Conventionally, in a power semiconductor module, a power semiconductor chip is sealed in a case by a sealing resin such as an overcoat resin. A technique is known in which a first conductive wiring layer is covered with an overcoat resin, and the surface of the overcoat resin is roughened by irradiating the overcoat resin with plasma, thereby improving adhesion between the overcoat resin and the sealing resin layer (see, for example, Patent Document 1 below).

特開2004-186461号公報JP 2004-186461 A

従来構造では、ポリイミド膜(第1保護膜122)は、NiPの上部電極膜124とAlSi電極121の双方に接触しており、異なる材料と接している。塗布されるポリイミド膜は、硬化後に化学的、電気的に高い安定性を持ち、耐熱、絶縁性を有するため、保護膜としての性質は良好である。一般に、ポリイミド膜は、化学的、電気的安定性が高く、それ故に他材料との反応性が低く、密着性が弱い場合がある。 In the conventional structure, the polyimide film (first protective film 122) is in contact with both the NiP upper electrode film 124 and the AlSi electrode 121, and is in contact with different materials. The applied polyimide film has high chemical and electrical stability after curing, and is heat resistant and insulating, so it has good properties as a protective film. In general, polyimide films have high chemical and electrical stability, and therefore low reactivity with other materials and may have poor adhesion.

ここで、上部電極膜124としてNiPを用いた場合、ポリイミド膜の密着性の弱さから、ポリイミド膜の第1保護膜122と上部電極膜124との界面で剥離が生じる場合がある。このために、上述のはんだのマスクとしての機能の他に、第1保護膜122と上部電極膜124との界面をさらに覆うように、ポリイミド膜の第2保護膜123をインクジェット法などで塗布することが行われている。 Here, when NiP is used as the upper electrode film 124, peeling may occur at the interface between the first protective film 122 of the polyimide film and the upper electrode film 124 due to the poor adhesion of the polyimide film. For this reason, in addition to functioning as a solder mask as described above, a second protective film 123 of the polyimide film is applied by the inkjet method or the like so as to further cover the interface between the first protective film 122 and the upper electrode film 124.

しかしながら、ポリイミド膜の密着性の弱さは変わらないため、はんだの接合時や半導体モジュールの稼働時などの熱応力などにより、第2保護膜123と上部電極膜124との界面で剥離が生じる場合がある。この剥離が進展すると、第2保護膜123と第1保護膜122との剥離も進展する場合もある。 However, the poor adhesion of the polyimide film remains, and peeling may occur at the interface between the second protective film 123 and the upper electrode film 124 due to thermal stress during soldering or operation of the semiconductor module. If this peeling progresses, peeling between the second protective film 123 and the first protective film 122 may also progress.

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、耐熱、絶縁性を有する膜から構成された第1保護膜と第2保護膜との密着性を向上させ、また、封止樹脂と第1保護膜との密着性も向上させ、剥離が進展することを低減できる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a method for manufacturing a semiconductor device that can improve the adhesion between a first protective film and a second protective film, both of which are made of heat-resistant, insulating films, and also improve the adhesion between the sealing resin and the first protective film, thereby reducing the progression of peeling, in order to solve the problems associated with the conventional technology described above.

上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、次の特徴を有する。まず、半導体基板上に半導体素子を形成する第1工程を行う。次に、前記半導体素子のおもて面に、前記半導体素子に電気的に接続された電極層を形成する第2工程を行う。次に、前記電極層上に、選択的に第1保護膜を形成する第3工程を行う。次に、前記第1保護膜上の、前記第1保護膜と上部電極膜とが接する部分を覆う第2保護膜が形成される部分に凹部を形成する第4工程を行う。次に、前記電極層上の前記第1保護膜以外の部分に、前記第1保護膜と接するように上部電極膜を形成する第5工程を行う。次に、前記上部電極膜と前記第1保護膜とが接する部分に前記第2保護膜を形成する第6工程を行う。前記第4工程では、前記凹部を複数形成し、前記凹部間の距離を10μm以上30μm以下に前記凹部を形成する。上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、次の特徴を有する。まず、半導体基板上に半導体素子を形成する第1工程を行う。次に、前記半導体素子のおもて面に、前記半導体素子に電気的に接続された電極層を形成する第2工程を行う。次に、前記電極層上に、選択的に第1保護膜を形成する第3工程を行う。次に、前記第1保護膜上の、前記第1保護膜と上部電極膜とが接する部分を覆う第2保護膜が形成される部分に凹部を形成する第4工程を行う。次に、前記電極層上の前記第1保護膜以外の部分に、前記第1保護膜と接するように上部電極膜を形成する第5工程を行う。次に、前記上部電極膜と前記第1保護膜とが接する部分に前記第2保護膜を形成する第6工程を行う。前記第4工程では、前記凹部の深さを前記第1保護膜の厚さの30%以上80%以下に前記凹部を形成する。
In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object of the present invention, the manufacturing method of the semiconductor device according to the present invention has the following features. First, a first step of forming a semiconductor element on a semiconductor substrate is performed. Next, a second step of forming an electrode layer electrically connected to the semiconductor element on the front surface of the semiconductor element is performed. Next, a third step of selectively forming a first protective film on the electrode layer is performed. Next, a fourth step of forming a recess on a portion of the first protective film where a second protective film covering a portion where the first protective film and an upper electrode film are to be formed is performed. Next, a fifth step of forming an upper electrode film so as to be in contact with the first protective film on a portion of the electrode layer other than the first protective film is performed. Next, a sixth step of forming the second protective film on a portion where the upper electrode film and the first protective film are to be in contact with the first protective film is performed. In the fourth step, a plurality of the recesses are formed, and the recesses are formed so that the distance between the recesses is 10 μm or more and 30 μm or less. In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object of the present invention, the manufacturing method of the semiconductor device according to the present invention has the following features. First, a first step of forming a semiconductor element on a semiconductor substrate is performed. Next, a second step is performed to form an electrode layer electrically connected to the semiconductor element on the front surface of the semiconductor element. Next, a third step is performed to selectively form a first protective film on the electrode layer. Next, a fourth step is performed to form a recess on a portion of the first protective film where a second protective film is formed to cover the portion where the first protective film and the upper electrode film contact. Next, a fifth step is performed to form an upper electrode film so as to contact the first protective film on a portion of the electrode layer other than the first protective film. Next, a sixth step is performed to form the second protective film on the portion where the upper electrode film and the first protective film contact. In the fourth step, the recess is formed so that the depth of the recess is 30% to 80% of the thickness of the first protective film.

また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第4工程では、凸部を有する治具を前記第1保護膜に押し当てることにより前記凹部を形成することを特徴とする。 The manufacturing method of the semiconductor device according to the present invention is characterized in that in the fourth step, the recess is formed by pressing a jig having a protrusion against the first protective film.

また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第4工程では、前記第1保護膜の粘度が300Pa・s以上1000Pa・s以下であるときに、前記凹部を形成することを特徴とする。 The manufacturing method of the semiconductor device according to the present invention is characterized in that in the fourth step, the recess is formed when the viscosity of the first protective film is 300 Pa·s or more and 1000 Pa·s or less.

また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第4工程では、前記凹部の直径を10μm以上30μm以下に前記凹部を形成することを特徴とする。 The manufacturing method of the semiconductor device according to the present invention is characterized in that in the fourth step, the diameter of the recess is formed to be 10 μm or more and 30 μm or less.

また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第4工程では、前記第1保護膜のおもて面を底辺とした台形形状に前記凹部を形成することを特徴とする。 The manufacturing method of the semiconductor device according to the present invention is characterized in that in the fourth step, the recess is formed in a trapezoidal shape with the front surface of the first protective film as its base.

また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第4工程では、前記凹部を前記第1保護膜と前記上部電極膜とが接する部分から10μm以上30μm以下離して、前記凹部を形成することを特徴とする。 The manufacturing method of the semiconductor device according to the present invention is characterized in that in the fourth step, the recess is formed at a distance of 10 μm to 30 μm from the portion where the first protective film and the upper electrode film contact each other.

また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第1保護膜および前記第2保護膜は、ポリイミド膜であることを特徴とする。 The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, the first protective film and the second protective film are polyimide films.

また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記上部電極膜は、ニッケルリン(NiP)であることを特徴とする。 The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, the upper electrode film is nickel phosphorus (NiP).

上述した発明によれば、第1保護膜に凹部を形成し、凹部が形成された領域に第2保護膜を塗布する。これにより、凹部の中に第2保護膜が入り込み、第1保護膜と第2保護膜との接触面積が増加し、アンカー効果が増大する。このため、上部電極膜と第1保護膜との剥離が生じたとしても第1保護膜と第2保護膜の部分への剥離進展を防止できる。 According to the above-mentioned invention, a recess is formed in the first protective film, and the second protective film is applied to the area where the recess is formed. This allows the second protective film to penetrate into the recess, increasing the contact area between the first protective film and the second protective film, and enhancing the anchor effect. Therefore, even if peeling occurs between the upper electrode film and the first protective film, it is possible to prevent the peeling from progressing to the first protective film and the second protective film.

本発明にかかる半導体装置の製造方法によれば、耐熱、絶縁性を有する膜から構成された第1保護膜と第2保護膜との密着性を向上させ、剥離が進展することを低減できるという効果を奏する。 The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention has the effect of improving the adhesion between the first protective film and the second protective film, which are made of a heat-resistant, insulating film, and reducing the progression of peeling.

実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの構成を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing a configuration of a power semiconductor module according to an embodiment; 実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの電極部の構成を示す断面図である。2 is a cross-sectional view showing a configuration of an electrode portion of the power semiconductor module according to the embodiment; FIG. 実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの電極部の製造途中の状態を示す断面図である(その1)。1 is a cross-sectional view showing a state during manufacturing of an electrode portion of a power semiconductor module according to an embodiment (part 1). FIG. 実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの電極部の製造途中の状態を示す断面図である(その2)。11 is a cross-sectional view showing a state during manufacturing of the electrode portion of the power semiconductor module according to the embodiment (part 2). FIG. 実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの電極部の製造途中の状態を示す断面図である(その3)。11 is a cross-sectional view showing a state during manufacturing of the electrode portion of the power semiconductor module according to the embodiment (part 3). FIG. 実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの電極部の詳細を示す上面図である。4 is a top view showing details of an electrode portion of the power semiconductor module according to the embodiment; FIG. 実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの電極部の詳細を示す断面図である。4 is a cross-sectional view showing details of an electrode portion of the power semiconductor module according to the embodiment; FIG. 実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの凹部の断面形状の一例を示す断面図である(その1)。1 is a cross-sectional view showing an example of a cross-sectional shape of a recess of a power semiconductor module according to an embodiment (part 1). FIG. 実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの凹部の断面形状の一例を示す断面図である(その2)。FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of a cross-sectional shape of a recess of a power semiconductor module according to an embodiment (part 2). 実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの凹部の断面形状の一例を示す断面図である(その3)。FIG. 4 is a cross-sectional view showing an example of a cross-sectional shape of a recess of a power semiconductor module according to an embodiment (part 3). 実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの凹部の間隔と密着性との関係を示す表である。11 is a table showing the relationship between the interval of recesses and adhesion of the power semiconductor module according to the embodiment. 実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの凹部の直径と密着性との関係を示す表である。11 is a table showing the relationship between the diameter of a recess and adhesion of the power semiconductor module according to the embodiment. 実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの凹部の断面形状と密着性との関係を示す表である。11 is a table showing the relationship between the cross-sectional shape of a recess and adhesion of the power semiconductor module according to the embodiment. 実施の形態にかかるパワー半導体モジュールのプリン試験を示す斜視図である。FIG. 2 is a perspective view showing a print test of the power semiconductor module according to the embodiment; 従来構造のパワー半導体モジュールの電極部の構成を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of an electrode portion of a power semiconductor module having a conventional structure.

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。図1は、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの構成を示す断面図である。 A preferred embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings. Figure 1 is a cross-sectional view showing the configuration of a power semiconductor module according to the embodiment.

(実施の形態)
図1に示すように、パワー半導体モジュール50は、パワー半導体チップ1と、絶縁基板2と、接合材3a、3b、3cと、電極パターン4と、金属基板5と、リードフレーム配線6と、端子ケース7と、封止樹脂8と、金属端子9と、金属ワイヤ10と、を備える。
(Embodiment)
As shown in FIG. 1 , the power semiconductor module 50 includes a power semiconductor chip 1, an insulating substrate 2, bonding materials 3a, 3b, and 3c, an electrode pattern 4, a metal substrate 5, lead frame wiring 6, a terminal case 7, a sealing resin 8, a metal terminal 9, and a metal wire 10.

パワー半導体チップ1は、IGBTあるいはダイオードチップ等の半導体素子である。絶縁性を確保するセラミック基板等の絶縁基板2のおもて面(パワー半導体チップ1側)および裏面(金属基板5側)には、銅(Cu)板などからなる電極パターン4が設けられている。なお、絶縁基板2の少なくとも片面に電極パターン4が設けられた基板を積層基板12とする。おもて面の電極パターン4上には、はんだなどの接合材3bにてパワー半導体チップ1が接合される。裏面の電極パターン4上には、はんだなどの接合材3cにて放熱フィン(不図示)が設けられた金属基板5が接合される。また、パワー半導体チップ1の上面(接合材3bと接する面と反対側の面)には、電気接続用の配線としてリードフレーム配線6の一端がはんだなどの接合材3aにて接合される。リードフレーム配線6の他端は、接合材3bにて電極パターン4と接合される。 The power semiconductor chip 1 is a semiconductor element such as an IGBT or a diode chip. An electrode pattern 4 made of a copper (Cu) plate or the like is provided on the front surface (the power semiconductor chip 1 side) and back surface (the metal substrate 5 side) of an insulating substrate 2 such as a ceramic substrate that ensures insulation. A substrate on which the electrode pattern 4 is provided on at least one side of the insulating substrate 2 is referred to as a laminated substrate 12. The power semiconductor chip 1 is bonded to the electrode pattern 4 on the front surface with a bonding material 3b such as solder. A metal substrate 5 provided with a heat dissipation fin (not shown) is bonded to the electrode pattern 4 on the back surface with a bonding material 3c such as solder. In addition, one end of a lead frame wiring 6 is bonded to the top surface of the power semiconductor chip 1 (the surface opposite to the surface in contact with the bonding material 3b) with a bonding material 3a such as solder as wiring for electrical connection. The other end of the lead frame wiring 6 is bonded to the electrode pattern 4 with the bonding material 3b.

樹脂ケース7は、パワー半導体チップ1と積層基板12と金属基板5とが積層された積層組立体に組み合わされる。例えば、樹脂ケース7は、積層組立体とシリコンなどの接着剤を介して接着されている。また、樹脂ケース7内部には、積層基板12上のパワー半導体チップ1を絶縁保護するため、エポキシなどの硬質樹脂等の封止樹脂8が充填されている。実施の形態では、封止樹脂8としてエポキシなどの硬質樹脂を用いており、蓋を使用していない。また、金属ワイヤ10がパワー半導体チップ1と金属端子9との間を接続している。金属端子9は樹脂ケース7を貫通して、外部に突き出ている。 The resin case 7 is combined with a laminated assembly in which the power semiconductor chip 1, the laminated substrate 12, and the metal substrate 5 are laminated. For example, the resin case 7 is bonded to the laminated assembly via an adhesive such as silicone. The inside of the resin case 7 is filled with a sealing resin 8 such as a hard resin such as epoxy to insulate and protect the power semiconductor chip 1 on the laminated substrate 12. In the embodiment, a hard resin such as epoxy is used as the sealing resin 8, and no lid is used. A metal wire 10 connects between the power semiconductor chip 1 and the metal terminal 9. The metal terminal 9 penetrates the resin case 7 and protrudes to the outside.

図2は、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの電極部の構成を示す断面図である。図2は図1の点線で囲まれた部分の拡大図である。図2に示すように、半導体基板上の半導体素子20(図1のパワー半導体チップ1に対応)上にエミッタ電極(半導体素子20がIGBTである場合)となるAlSi電極21が設けられている。AlSi電極21上にポリイミド膜で構成された第1保護膜22が成膜されている。NiPで構成された上部電極膜24上に、リードフレーム配線6(図1参照)を接合するためのはんだ25(図1の接合材3aに対応)が設けられる。また、上部電極膜24の周りに上部電極膜24と第1保護膜22が接する部分を選択的に覆うようにポリイミド膜で構成された第2保護膜23が設けられる。実施の形態では、第1保護膜20および第2保護膜23としてポリイミド膜を例に説明するが、化学的、電気的安定性が高く、他材料との反応性が低く、密着性が弱く、耐熱、絶縁性を有する膜であれば、ポリイミド膜以外の膜でも第1保護膜22および第2保護膜23に使用可能である。 Figure 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the electrode part of the power semiconductor module according to the embodiment. Figure 2 is an enlarged view of the part surrounded by the dotted line in Figure 1. As shown in Figure 2, an AlSi electrode 21 serving as an emitter electrode (when the semiconductor element 20 is an IGBT) is provided on a semiconductor element 20 (corresponding to the power semiconductor chip 1 in Figure 1) on a semiconductor substrate. A first protective film 22 made of a polyimide film is formed on the AlSi electrode 21. Solder 25 (corresponding to the bonding material 3a in Figure 1) for joining the lead frame wiring 6 (see Figure 1) is provided on an upper electrode film 24 made of NiP. In addition, a second protective film 23 made of a polyimide film is provided around the upper electrode film 24 so as to selectively cover the part where the upper electrode film 24 and the first protective film 22 are in contact. In the embodiment, a polyimide film is used as an example of the first protective film 20 and the second protective film 23, but films other than polyimide films can also be used for the first protective film 22 and the second protective film 23 as long as they have high chemical and electrical stability, low reactivity with other materials, weak adhesion, and heat resistance and insulating properties.

実施の形態では、第1保護膜22に凹凸の大きさ、幅、間隔を制御した凹部26を設けている。凹部26は、少なくとも第2保護膜23が接触する部分に設けられている。凹部26上に第2保護膜23を塗布することで、凹部26の中に第2保護膜23が入り込み、第1保護膜22と第2保護膜23との接触面積が増加する。これにより、第1保護膜22と第2保護膜23とのアンカー効果を増大させる。このため、上部電極膜24と第1保護膜22との剥離が生じたとしても第1保護膜22と第2保護膜23の部分への剥離進展を防止できる。 In the embodiment, the first protective film 22 is provided with recesses 26 in which the size, width, and spacing of the unevenness are controlled. The recesses 26 are provided at least in the portion where the second protective film 23 comes into contact. By applying the second protective film 23 onto the recesses 26, the second protective film 23 enters the recesses 26, and the contact area between the first protective film 22 and the second protective film 23 increases. This increases the anchor effect between the first protective film 22 and the second protective film 23. Therefore, even if peeling occurs between the upper electrode film 24 and the first protective film 22, it is possible to prevent the peeling from progressing to the portion between the first protective film 22 and the second protective film 23.

(実施の形態にかかる半導体装置の製造方法)
次に、実施の形態にかかる半導体装置の製造方法について、説明する。図3~図5は、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの電極部の製造途中の状態を示す断面図である。まず、従来技術による半導体装置の製造方法と同様に、半導体基板上に半導体素子20を形成する。例えば、半導体装置がIGBTである場合、半導体基板上にエピタキシャル成長によりドリフト層、ベース層を形成し、イオン注入で不純物イオンを注入することによりおもて面にエミッタ領域を形成し、裏面にコレクタ領域を形成する。次に、おもて面に熱酸化等でゲート絶縁膜を選択的に形成する。
(Method of Manufacturing a Semiconductor Device According to an Embodiment)
Next, a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment will be described. Figures 3 to 5 are cross-sectional views showing the electrode part of the power semiconductor module according to the embodiment in the middle of manufacturing. First, a semiconductor element 20 is formed on a semiconductor substrate, similar to the conventional semiconductor device manufacturing method. For example, if the semiconductor device is an IGBT, a drift layer and a base layer are formed on the semiconductor substrate by epitaxial growth, and an emitter region is formed on the front surface by injecting impurity ions by ion implantation, and a collector region is formed on the back surface. Next, a gate insulating film is selectively formed on the front surface by thermal oxidation or the like.

次に、例えばスパッタ法により、半導体素子のエミッタ領域に電気的に接続された金属電極としてAlSi電極21(表電極ともいう)を形成する。なお、この電極はAlSiに限定されるものではない。次に、AlSi電極21上に選択的に第1保護膜22を形成する。上面から見ると、AlSi電極21(金属電極)を囲むように形成され、電極の所定の領域が露出している。この金属電極の露出した個所にNi又はNi合金を主成分とする上部金属膜(上部電極膜)がめっき法等によって形成される。第1保護膜22は、化学的、電気的に安定して、耐熱性および絶縁性に優れた材料から形成する。第1保護膜としては、熱硬化性樹脂や紫外線硬化樹脂などの材料が用いられ、条件により硬化の状態を変化させることができ、後述するように凸型を押圧して凹部を形成できるように半硬化状態にできる材料が好ましい。例えば、第1保護膜22は、例えば、イミド結合を含む高分子樹脂であるポリイミド膜やポリアミド膜、ポリアミドイミド膜、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などを用いて形成する。ここまでの状態が、図3に記載される。なお、第1保護膜22はフォトリソグラフィまたはディスペンサーによる塗布などの方法によって所定の箇所に形成される。また、第1保護膜22の膜厚は、絶縁性などから、上部電極膜24の膜厚より厚く、2μm~15μmが好ましく、5μmから12μmがより好ましい。 Next, an AlSi electrode 21 (also called a front electrode) is formed as a metal electrode electrically connected to the emitter region of the semiconductor element, for example, by a sputtering method. This electrode is not limited to AlSi. Next, a first protective film 22 is selectively formed on the AlSi electrode 21. When viewed from the top, it is formed so as to surround the AlSi electrode 21 (metal electrode), and a predetermined area of the electrode is exposed. An upper metal film (upper electrode film) mainly composed of Ni or a Ni alloy is formed on the exposed part of the metal electrode by a plating method or the like. The first protective film 22 is formed from a material that is chemically and electrically stable and has excellent heat resistance and insulation properties. As the first protective film, a material such as a thermosetting resin or an ultraviolet curing resin is used, and the curing state can be changed depending on the conditions, and a material that can be brought into a semi-cured state so that a concave portion can be formed by pressing a convex mold as described later is preferable. For example, the first protective film 22 is formed using a polyimide film, polyamide film, polyamideimide film, epoxy resin, phenolic resin, or the like, which is a polymer resin containing imide bonds. The state up to this point is shown in FIG. 3. The first protective film 22 is formed in a predetermined location by a method such as photolithography or coating with a dispenser. In addition, the thickness of the first protective film 22 is thicker than the thickness of the upper electrode film 24, preferably 2 μm to 15 μm, more preferably 5 μm to 12 μm, in view of insulation properties, etc.

次に、第1保護膜22を加熱硬化させる際に、半硬化状態となっているところで、少なくとも第1保護膜22が第2保護膜23と接触する部分に、所定の大きさ、幅、間隔の凸部を持った治具27を押しつけることで第1保護膜22に凹部26を形成して、その後に、本硬化を行う。または、第2保護膜23を形成した後に本硬化を行っても良い。なお、例えば、第1保護膜22(ポリイミド)は70℃~150℃で30分から60分加熱することで半硬化状態になり(仮硬化)、その後150℃~220℃で、30分~60分加熱して本硬化する。その際、図4において、治具27の凸部が全て第1保護膜22に埋まるように押し付けてもよい。凸部の根本が第1保護膜22の表面に接するように押し付けると、治具27を離した際にできるのは所定の形状の凹部26であり、深さのそろった形状となる。一方、治具27の凸部の深さ方向の一部を押し付け、所定の深さまで押し付けてから離すと、凹部26の周辺には、塑性変形し盛り上がった高さが0.2μmから1μmの凸部ができる。この場合も表面積が増加するため密着性は向上する。また、所定の大きさ、幅、間隔の凸部を持った治具27を選定することにより、自由に形状の凹部26を実現できる。このように、凹部26が形成された領域に第2保護膜23を塗布することで、強いアンカー効果を実現できる。また、図7に示すように、第2保護膜23より外側まで凹部26を形成しても良い。最終的には樹脂ケースの内部には封止樹脂8が満たされるため、第1保護層22の表面と側面は封止樹脂8とも接する。第1保護層22の凹部26を覆うように封止樹脂8が形成されると、第1保護膜22と封止樹脂8の密着性は向上するため、熱応力による剥がれが低減し、半導体モジュールの信頼性は向上する。なお、第2保護膜23はフォトリソグラフィまたはディスペンサーによる塗布などの方法によって所定の箇所に形成される。 Next, when the first protective film 22 is heat-cured, a jig 27 having convex portions of a predetermined size, width, and interval is pressed against at least the portion where the first protective film 22 contacts the second protective film 23 in the semi-cured state, forming concave portions 26 in the first protective film 22, and then the main curing is performed. Alternatively, the main curing may be performed after the second protective film 23 is formed. For example, the first protective film 22 (polyimide) is heated at 70°C to 150°C for 30 to 60 minutes to be in a semi-cured state (temporary curing), and then heated at 150°C to 220°C for 30 to 60 minutes to be fully cured. At that time, in FIG. 4, the jig 27 may be pressed so that all of the convex portions are embedded in the first protective film 22. If the base of the convex portion is pressed against the surface of the first protective film 22, when the jig 27 is released, a concave portion 26 of a predetermined shape is formed, and the shape is uniform in depth. On the other hand, when a part of the protrusion of the jig 27 in the depth direction is pressed and pressed to a predetermined depth and then released, a protrusion with a height of 0.2 μm to 1 μm is formed around the recess 26 due to plastic deformation. In this case, the surface area is also increased, so the adhesion is improved. In addition, by selecting a jig 27 having protrusions of a predetermined size, width, and interval, the recess 26 can be realized in any shape. In this way, a strong anchor effect can be realized by applying the second protective film 23 to the area where the recess 26 is formed. In addition, as shown in FIG. 7, the recess 26 may be formed to the outside of the second protective film 23. Since the inside of the resin case is finally filled with the sealing resin 8, the surface and side of the first protective layer 22 are also in contact with the sealing resin 8. When the sealing resin 8 is formed so as to cover the recess 26 of the first protective layer 22, the adhesion between the first protective film 22 and the sealing resin 8 is improved, so that peeling due to thermal stress is reduced and the reliability of the semiconductor module is improved. The second protective film 23 is formed in a predetermined location by a method such as photolithography or application with a dispenser.

ここで、半硬化状態である具体的な粘度は300Pa・s以上1000Pa・s以下であることが好ましい。ポリイミド樹脂等は、塗布した後加熱硬化時に時間とともに粘度が増加する。このため、加熱硬化時に粘度が300Pa・s以上1000Pa・s以下である時間を事前に求めておくことで、この時間の間は、半硬化状態であると判断できる。また、半硬化状態は、第1保護膜22の硬度、弾性率で判断してもよい。この場合、弾性率が1以上2.5GPa未満であるとき半硬化状態であると判断する。または、針入度が70以上100以下である。なお、針入度とは、粘弾性体の硬さの尺度で、JISK2207に規定されており、試験条件の下で,規定の針が試料中に垂直に進入した長さの0.1mmを1として表す。25℃で測定するものとした。ここまでの状態が、図4に記載される。 Here, the specific viscosity of the semi-cured state is preferably 300 Pa·s or more and 1000 Pa·s or less. The viscosity of polyimide resins and the like increases with time when they are heated and cured after application. Therefore, by determining in advance the time when the viscosity is 300 Pa·s or more and 1000 Pa·s or less when heated and cured, it is possible to determine that the semi-cured state is in this time. The semi-cured state may also be determined by the hardness and elastic modulus of the first protective film 22. In this case, the semi-cured state is determined when the elastic modulus is 1 or more and less than 2.5 GPa. Alternatively, the penetration is 70 or more and 100 or less. The penetration is a measure of the hardness of a viscoelastic body, and is specified in JIS K2207. Under test conditions, the length of 0.1 mm of a specified needle that penetrates vertically into the sample is expressed as 1. The measurement was performed at 25°C. The state up to this point is shown in Figure 4.

次に、第1保護膜22をマスクとして用いて、AlSi電極21上の、第1保護膜22が設けられていない部分に、選択的に上部電極膜24を形成する。上部電極膜24は、NiP(ニッケルリン)無電解めっきなどが用いられるが、第1保護膜22は絶縁体で、AlSi電極21は金属なので、上部電極膜24は第1保護膜22には析出せずに、選択的にAlSi電極21の上に析出する。ここまでの状態が、図5に記載される。めっき法は、安価で厚い膜(1から10μm)を金属電極上に選択的に形成できるので多く用いられる。また、NiまたはNiP(ニッケルリン)やNiB(ニッケルボロン)などのNi合金でもよく、銅やアルミニウムや金でもよい。また、これらの積層膜でもよい。特にめっき法によるP濃度が7wt%~12wt%のNiP合金膜が非晶質であり好ましい。上部電極膜24は、素子のAlSi電極21等のおもて面電極と接続端子との接続のための接合性や強度の観点から設けられ、その合計の膜厚として、1μmから10μmが用いられ、3μmから5μmがより好ましく用いられる。例えば、Niめっき膜の上にさらにAuめっき膜を形成してもよい。Auめっき膜を形成することにより、Niめっき膜を含む電極部を酸化から防止することができ、また、はんだとの濡れ性も良いため好ましい。なお、Niめっき膜の膜厚は、はんだ等による接続および強度の点から1μmから10μmが好ましく、3μmから5μmがより好ましい。また、Auめっき膜の膜厚は、酸化防止と濡れ性、およびコストの点から0.02μmから1μmが好ましく、0.04μmから0.1μmがより好ましい。しかし、上部電極膜24はめっき膜に限定されるものではなく、スパッタリングにより形成されてもよい。この場合はメタルマスクを用いて、金属電極の露出した個所に成膜する。 Next, using the first protective film 22 as a mask, the upper electrode film 24 is selectively formed on the portion of the AlSi electrode 21 where the first protective film 22 is not provided. The upper electrode film 24 is formed by electroless plating of NiP (nickel phosphorus), etc., but since the first protective film 22 is an insulator and the AlSi electrode 21 is a metal, the upper electrode film 24 is not deposited on the first protective film 22 but is selectively deposited on the AlSi electrode 21. The state up to this point is shown in FIG. 5. The plating method is often used because it is inexpensive and can selectively form a thick film (1 to 10 μm) on a metal electrode. In addition, Ni or Ni alloys such as NiP (nickel phosphorus) and NiB (nickel boron) may be used, or copper, aluminum, or gold may be used. A laminated film of these may also be used. In particular, a NiP alloy film with a P concentration of 7 wt% to 12 wt% by plating method is amorphous and is preferable. The upper electrode film 24 is provided from the viewpoint of adhesion and strength for connecting the front surface electrodes such as the AlSi electrodes 21 of the element to the connection terminals, and the total thickness is 1 μm to 10 μm, and more preferably 3 μm to 5 μm. For example, an Au plating film may be further formed on the Ni plating film. By forming the Au plating film, the electrode part including the Ni plating film can be prevented from oxidation, and it is also preferable because it has good wettability with solder. The thickness of the Ni plating film is preferably 1 μm to 10 μm, and more preferably 3 μm to 5 μm, from the viewpoint of connection by solder or the like and strength. The thickness of the Au plating film is preferably 0.02 μm to 1 μm, and more preferably 0.04 μm to 0.1 μm, from the viewpoints of oxidation prevention, wettability, and cost. However, the upper electrode film 24 is not limited to a plating film, and may be formed by sputtering. In this case, a metal mask is used to form the film on the exposed part of the metal electrode.

次に、上部電極膜24と第1保護膜22とが隣接する部分を覆うように第2保護膜23を選択的に形成する。第1保護膜22と上部電極膜24の界面を覆うように形成されるため、上面から見ると、上部電極膜24を囲むように形成される。第2保護膜23は、第1保護膜22と同じ材料の膜を用いて形成することが好ましい。異種材同士でも良いが、同じ材料の方が、密着性に優れるため好ましい。次に、リードフレーム等の導電性接続部材を上部電極膜24と接合する際に、第1保護膜22および第2保護膜23をはんだ付け時のマスクとして用いて、上部電極膜24にはんだ25を形成する。このようにして、パワー半導体チップ1が形成される。 Next, the second protective film 23 is selectively formed so as to cover the portion where the upper electrode film 24 and the first protective film 22 are adjacent. Since it is formed so as to cover the interface between the first protective film 22 and the upper electrode film 24, it is formed so as to surround the upper electrode film 24 when viewed from the top. The second protective film 23 is preferably formed using a film of the same material as the first protective film 22. Different materials may be used, but the same material is preferable because it has better adhesion. Next, when a conductive connection member such as a lead frame is joined to the upper electrode film 24, the first protective film 22 and the second protective film 23 are used as a mask during soldering to form solder 25 on the upper electrode film 24. In this manner, the power semiconductor chip 1 is formed.

図1のパワー半導体モジュールの製造方法は、従来技術によるパワー半導体モジュールと同様である。パワー半導体モジュールの製造方法では、まず、積層基板12にパワー半導体チップ1を実装し、パワー半導体チップ1と、絶縁基板2上に設けられた電極パターン4とを、はんだ25(接合材3b)を介して、リードフレーム配線6で電気的に接続する。次に、これらを金属基板5に接合して、パワー半導体チップ1、積層基板12および金属基板5からなる積層組立体を組み立てる。この積層組立体に樹脂ケース7をシリコーン系の接着剤などで接着する。 The manufacturing method of the power semiconductor module in FIG. 1 is the same as that of the power semiconductor module according to the conventional technology. In the manufacturing method of the power semiconductor module, first, the power semiconductor chip 1 is mounted on the laminated substrate 12, and the power semiconductor chip 1 and the electrode pattern 4 provided on the insulating substrate 2 are electrically connected by the lead frame wiring 6 via the solder 25 (bonding material 3b). Next, these are bonded to the metal substrate 5 to assemble a laminated assembly consisting of the power semiconductor chip 1, the laminated substrate 12, and the metal substrate 5. A resin case 7 is bonded to this laminated assembly with a silicone-based adhesive or the like.

次に、金属ワイヤ10でパワー半導体チップ1と金属端子9との間を接続し、樹脂ケース7内にエポキシ樹脂などの硬質樹脂等の封止樹脂8を充填する。これにより、図1に示す実施の形態にかかるパワー半導体モジュールが完成する。なお、封止樹脂8がエポキシ樹脂等の硬質樹脂でない場合、封止樹脂8が外に漏れないようにするため、蓋を取り付けるようにする。封止樹脂8として、熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂やポリイミド樹脂やポリアミド樹脂やマレイミド樹脂などを用いることができる。また、線膨張係数を他の部材と調整するためにシリカやアルミナなどの粒子をフィラーとして添加しても良い。また、シリコーンなどの軟質樹脂を用いることもできる。 Next, the power semiconductor chip 1 and the metal terminal 9 are connected with metal wires 10, and the resin case 7 is filled with sealing resin 8, such as hard resin such as epoxy resin. This completes the power semiconductor module according to the embodiment shown in FIG. 1. If the sealing resin 8 is not hard resin such as epoxy resin, a lid is attached to prevent the sealing resin 8 from leaking out. As the sealing resin 8, thermosetting resins such as epoxy resin, polyimide resin, polyamide resin, and maleimide resin can be used. Also, particles such as silica or alumina can be added as a filler to adjust the linear expansion coefficient with other components. Also, soft resins such as silicone can be used.

図6は、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの電極部の詳細を示す上面図である。凹部26の間隔Tは、10μm以上30μm以下であることが好ましい。図6では、凹部26の間隔Tは、等間隔となっているが、不均等でもかまわない。凹部26の間隔Tとは、図6に示すように、凹部26の外周の縁と隣り合う凹部26の外周の縁との間の距離である。また、凹部26を上側(第2保護膜23側)から見た形状(上面形状)は円形であり、この場合、凹部の開口部の大きさとして直径は10μm以上30μm以下であることが好ましい。なお、上面形状が円形の場合は、凹部の開口部の大きさを直径としたが、楕円の場合は、長径とする。また、上面形状が四角形などの多角形(三角形を除く)の場合の開口部の大きさは対角線の長さとし、三角形の場合は、最も長い垂線の長さとする。なお、上面形状が三角形や四角形などの多角形の場合の間隔Tは、もっとも短い距離とする。 6 is a top view showing the details of the electrode part of the power semiconductor module according to the embodiment. The interval T of the recesses 26 is preferably 10 μm or more and 30 μm or less. In FIG. 6, the interval T of the recesses 26 is equal, but it may be unequal. The interval T of the recesses 26 is the distance between the edge of the outer periphery of the recess 26 and the edge of the outer periphery of the adjacent recess 26, as shown in FIG. 6. The shape (top surface shape) of the recess 26 viewed from the upper side (second protective film 23 side) is circular, and in this case, the diameter of the opening of the recess is preferably 10 μm or more and 30 μm or less. In addition, when the top surface shape is circular, the size of the opening of the recess is the diameter, but in the case of an ellipse, the major axis is used. In addition, when the top surface shape is a polygon such as a rectangle (excluding a triangle), the size of the opening is the length of the diagonal, and in the case of a triangle, the length of the longest perpendicular line. In addition, when the top surface shape is a polygon such as a triangle or a rectangle, the interval T is the shortest distance.

図7は、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの電極部の詳細を示す断面図である。第1保護膜22は、例えば、幅100μm程度で、厚さは10μm程度であり、第2保護膜23は、例えば、幅100μm程度で、厚さは10μm程度である。第2保護膜23の半分(50μm程度)は、第1保護膜22と接触して、残り半分(50μm程度)は、上部電極膜24と接触している。 Figure 7 is a cross-sectional view showing details of the electrode portion of the power semiconductor module according to the embodiment. The first protective film 22 is, for example, about 100 μm wide and about 10 μm thick, and the second protective film 23 is, for example, about 100 μm wide and about 10 μm thick. Half of the second protective film 23 (about 50 μm) is in contact with the first protective film 22, and the remaining half (about 50 μm) is in contact with the upper electrode film 24.

凹部26の深さhは、第1保護膜22の厚さの30%以上80%以下が好ましい。特に30%以上50%以下が好ましい。つまり、第1保護膜22の厚さが、図7に示すように10μmである場合、凹部26の深さhは、3μm以上5μm以下が好ましい。この範囲であれば、絶縁性も保たれ、密着性も向上する。また、凹部26は、第1保護膜22と上部電極膜24との界面から一定の距離S離れていることが好ましい。第1保護膜22の幅が、図7に示すように100μmである場合、距離Sは10μm以上30μm以下が好ましい。距離Sが短いと、凹部を形成した際に第1保護膜22の端部が変形しやすくなるからであり、長すぎると第2保護膜23と凹部26の接触面性が減少するからである。また、凹部26が設けられる領域の幅Wは、第1保護膜22の幅の40%以上80%以下が好ましい。第1保護膜22の幅が、図7に示すように100μmである場合、幅Wは、40μm以上80μm以下が好ましい。凹部26は、第2保護膜23と接する領域の外部に設けられていてもよい。この場合、凹部26の中に封止樹脂8が入り込み、第1保護膜22と封止樹脂8との接触面積が増加する。これにより、第1保護膜22と封止樹脂8とアンカー効果を増大させることができる。 The depth h of the recess 26 is preferably 30% to 80% of the thickness of the first protective film 22. In particular, 30% to 50% is preferable. In other words, when the thickness of the first protective film 22 is 10 μm as shown in FIG. 7, the depth h of the recess 26 is preferably 3 μm to 5 μm. In this range, the insulation is maintained and the adhesion is improved. In addition, the recess 26 is preferably a certain distance S away from the interface between the first protective film 22 and the upper electrode film 24. When the width of the first protective film 22 is 100 μm as shown in FIG. 7, the distance S is preferably 10 μm to 30 μm. If the distance S is short, the end of the first protective film 22 is easily deformed when the recess is formed, and if it is too long, the contact surface between the second protective film 23 and the recess 26 is reduced. In addition, the width W of the region in which the recess 26 is provided is preferably 40% to 80% of the width of the first protective film 22. When the width of the first protective film 22 is 100 μm as shown in FIG. 7, the width W is preferably 40 μm or more and 80 μm or less. The recess 26 may be provided outside the region in contact with the second protective film 23. In this case, the sealing resin 8 enters the recess 26, and the contact area between the first protective film 22 and the sealing resin 8 increases. This can increase the anchor effect between the first protective film 22 and the sealing resin 8.

図7は、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの凹部26の断面形状が逆三角形で、立体形状は逆円錐形の例を示しているが、他の断面形状であってもよい。また、図7に示す凹部26の上面形状は円または楕円形状であるが、三角形や四角形の多角形でもよく、その場合の立体形状は、逆三角錐や逆四角錐などの角錐体でもよい。しかし、第2保護膜23用の材料が均一に充填されやすいことから円錐形が好ましい。角錐の場合、角部が均一に成形されず、第2保護膜23や封止樹脂8の樹脂が均一に形成されず、密着強度のバラツキが若干大きくなる場合がある。図8~図10は、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの凹部の断面形状の一例を示す断面図である。図8は、凹部26の断面形状が矩形で、立体形状は円柱形の例である。形状が矩形とは、凹部26の入り口から底までの幅がほぼ一定の形状であり、立体形状は三角柱、四角柱などの角柱でもよいが、第2保護膜23用の材料が均一に充填されやすいことから円柱形が好ましい。角柱の場合、角錐と同様に角部に均一に充填されない場合があり、密着強度のバラツキが若干大きくなる場合がある。図9は、凹部26の断面形状が円形で、立体形状は半球形の例である。図10は、凹部26の断面形状が台形、立体形状は円錐台形の例である。形状が台形とは、凹部26の入り口が台形の長い底辺であり、凹部26の底が台形の短い底辺である形状であり、立体形状は角錐台形でもよいが、第2保護膜23用の材料が均一に充填されやすい点から円錐形(逆円錐)が好ましい。角錐台形の場合、上述の角錐や角柱と同様に、角部に均一に充填されない場合があり、密着強度のバラツキが若干大きくなる場合がある。十分なアンカー効果を得るため、凹部26の断面形状は、台形であることが好ましい。 Figure 7 shows an example of the cross-sectional shape of the recess 26 of the power semiconductor module according to the embodiment being an inverted triangle and the three-dimensional shape being an inverted cone, but other cross-sectional shapes may be used. Also, the top surface shape of the recess 26 shown in Figure 7 is a circle or an ellipse, but it may be a polygon such as a triangle or a square, and in that case, the three-dimensional shape may be a pyramid such as an inverted triangular pyramid or an inverted square pyramid. However, a cone shape is preferable because it is easier to fill the material for the second protective film 23 uniformly. In the case of a pyramid, the corners may not be formed uniformly, and the resin of the second protective film 23 or the sealing resin 8 may not be formed uniformly, which may result in a slight increase in the variation in adhesion strength. Figures 8 to 10 are cross-sectional views showing examples of the cross-sectional shape of the recess of the power semiconductor module according to the embodiment. Figure 8 shows an example of the cross-sectional shape of the recess 26 being rectangular and the three-dimensional shape being cylindrical. The rectangular shape means that the width from the entrance to the bottom of the recess 26 is almost constant. The three-dimensional shape may be a prism such as a triangular prism or a square prism, but a cylindrical shape is preferable because the material for the second protective film 23 is easily filled uniformly. In the case of a prism, the corners may not be filled uniformly as in the case of a pyramid, and the variation in adhesion strength may be slightly increased. FIG. 9 shows an example in which the cross-sectional shape of the recess 26 is a circle and the three-dimensional shape is a hemisphere. FIG. 10 shows an example in which the cross-sectional shape of the recess 26 is a trapezoid and the three-dimensional shape is a truncated cone. The trapezoid shape means that the entrance of the recess 26 is a long base of the trapezoid and the bottom of the recess 26 is a short base of the trapezoid. The three-dimensional shape may be a truncated pyramid, but a cone (inverted cone) is preferable because the material for the second protective film 23 is easily filled uniformly. In the case of a truncated pyramid, the corners may not be filled uniformly as in the case of the pyramid and the prism described above, and the variation in adhesion strength may be slightly increased. To obtain a sufficient anchoring effect, it is preferable that the cross-sectional shape of the recess 26 be trapezoidal.

図11は、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの凹部の間隔と密着性との関係を示す表である。図11の比較例は、凹部26を設けない従来の密着強度を測定した結果である。図11の比較例以外は、凹部26の直径を20μm、断面形状を逆三角形、深さを5μmの逆円錐形として、凹部26の間隔を10μm、20μm、30μmと変化させて後述するプリン試験により密着強度を測定した結果である。密着強度(PI/PI)は、第2保護膜23との密着強度を示し、単位はMPaである。密着強度(PI/エポキシ)は、封止樹脂8との密着強度を示し、単位はMPaである。なお、PIとはポリイミドを示し、第1保護膜22、第2保護膜23の代表的な材料である。また、エポキシとは封止樹脂8の代表的な材料であり、線膨張係数を調整するためにSiO2のフィラーをエポキシ樹脂に対して70wt%含んでいる。なお、図11,図12,図13中の「密着強度(PI/PI)」とは、ポリイミドとポリイミドの密着強度を、「密着強度(PI/エポキシ)」とは、ポリイミドとエポキシ樹脂の密着強度を表す。 FIG. 11 is a table showing the relationship between the interval of the recesses and the adhesion of the power semiconductor module according to the embodiment. The comparative example of FIG. 11 is a result of measuring the adhesion strength of a conventional case where the recesses 26 are not provided. Other than the comparative example of FIG. 11, the diameter of the recesses 26 is 20 μm, the cross-sectional shape is an inverted triangle, the depth is an inverted cone shape of 5 μm, and the interval between the recesses 26 is changed to 10 μm, 20 μm, and 30 μm, and the adhesion strength is measured by a pudding test described later. The adhesion strength (PI/PI) indicates the adhesion strength with the second protective film 23, and is expressed in MPa. The adhesion strength (PI/epoxy) indicates the adhesion strength with the sealing resin 8, and is expressed in MPa. Note that PI indicates polyimide, which is a typical material of the first protective film 22 and the second protective film 23. Also, epoxy is a typical material of the sealing resin 8, and contains 70 wt % of SiO 2 filler relative to the epoxy resin in order to adjust the linear expansion coefficient. In addition, in Figs. 11, 12 and 13, "adhesion strength (PI/PI)" refers to the adhesion strength between polyimide and polyimide, and "adhesion strength (PI/epoxy)" refers to the adhesion strength between polyimide and epoxy resin.

図11に示すように、凹部26の間隔が10μm、20μm、30μmのいずれにおいても、第2保護膜23との密着強度および封止樹脂8との密着強度の両方で、比較例よりも高くなっている。また、第2保護膜23との密着強度は、凹部26の間隔が20μmの場合が最も高くなっている。一方、封止樹脂8との密着強度は、凹部26の間隔が30μmの場合が最も高くなっている。なお、凹部の間隔Tは凹部26の上面形状によらず同じ傾向であった。 As shown in FIG. 11, whether the spacing between the recesses 26 is 10 μm, 20 μm, or 30 μm, both the adhesion strength with the second protective film 23 and the adhesion strength with the sealing resin 8 are higher than those of the comparative example. Furthermore, the adhesion strength with the second protective film 23 is highest when the spacing between the recesses 26 is 20 μm. On the other hand, the adhesion strength with the sealing resin 8 is highest when the spacing between the recesses 26 is 30 μm. The spacing T between the recesses showed the same tendency regardless of the top surface shape of the recesses 26.

図12は、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの凹部の直径と密着性との関係を示す表である。図12の比較例は、凹部26を設けない従来の密着強度を測定した結果である。図12の比較例以外は、凹部26の間隔を10μm、断面形状を逆三角形、深さを5μmの逆円錐形として、凹部26の直径を10μm、20μm、30μmと変化させて後述するプリン試験により密着強度を測定した結果である。密着強度(PI/PI)および密着強度(PI/エポキシ)は、図11と同じである。 Figure 12 is a table showing the relationship between the diameter of the recesses and adhesion of the power semiconductor module according to the embodiment. The comparative example in Figure 12 is the result of measuring the adhesion strength of a conventional method in which no recesses 26 are provided. All the examples except the comparative example in Figure 12 are the results of measuring the adhesion strength by the pudding test described below, with the recesses 26 spaced 10 μm apart, with a cross-sectional shape of an inverted triangle and an inverted cone with a depth of 5 μm, and with the diameter of the recesses 26 changed to 10 μm, 20 μm, and 30 μm. The adhesion strength (PI/PI) and adhesion strength (PI/epoxy) are the same as in Figure 11.

図12に示すように、凹部26の直径が10μm、20μm、30μmのいずれにおいても、第2保護膜23との密着強度および封止樹脂8との密着強度の両方で、比較例よりも高くなっている。また、第2保護膜23との密着強度および封止樹脂8との密着強度の両方は、凹部26の直径が10μmの場合が最も高くなっている。なお、凹部の開口部の大きさは凹部26の上面形状によらず同じ傾向であった。 As shown in FIG. 12, whether the diameter of the recess 26 is 10 μm, 20 μm, or 30 μm, both the adhesion strength with the second protective film 23 and the adhesion strength with the sealing resin 8 are higher than those of the comparative example. In addition, both the adhesion strength with the second protective film 23 and the adhesion strength with the sealing resin 8 are highest when the diameter of the recess 26 is 10 μm. The size of the opening of the recess showed the same tendency regardless of the top surface shape of the recess 26.

図13は、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの凹部の断面形状と密着性との関係を示す表である。図13の比較例は、凹部26を設けない従来の密着強度を測定した結果である。図13の比較例以外は、凹部26の直径を20μm、間隔を10μm、深さを5μmとして、凹部26の断面形状を逆三角形(立体形状は逆円錐形)、半円(立体形状は半球状)、台形(立体形状は逆円錐台形)、矩形(立体形状は円柱形)と変化させて後述するプリン試験により密着強度を測定した結果である。密着強度(PI/PI)および密着強度(PI/エポキシ)は、図11と同じである。 Figure 13 is a table showing the relationship between the cross-sectional shape of the recess of the power semiconductor module according to the embodiment and adhesion. The comparative example in Figure 13 is the result of measuring the adhesion strength of a conventional method in which the recess 26 is not provided. Other than the comparative example in Figure 13, the diameter of the recess 26 is 20 μm, the interval is 10 μm, and the depth is 5 μm, and the cross-sectional shape of the recess 26 is changed to an inverted triangle (three-dimensional shape is an inverted cone), a semicircle (three-dimensional shape is a hemisphere), a trapezoid (three-dimensional shape is an inverted truncated cone), and a rectangle (three-dimensional shape is a cylinder), and the adhesion strength was measured by the pudding test described below. The adhesion strength (PI/PI) and adhesion strength (PI/epoxy) are the same as in Figure 11.

図13に示すように、第2保護膜23との密着強度および封止樹脂8との密着強度の両方は、凹部26の断面形状が台形の場合が最も高くなっている。このため、断面形状としては、台形が好ましい。なお、各密着性は上面形状には依らず断面形状に影響を受けることがわかった。 As shown in FIG. 13, the adhesive strength with the second protective film 23 and the adhesive strength with the sealing resin 8 are both highest when the cross-sectional shape of the recess 26 is trapezoidal. For this reason, a trapezoidal cross-sectional shape is preferable. It was found that each adhesiveness is affected by the cross-sectional shape, regardless of the top surface shape.

図14は、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールにおける第1保護層22と第2保護膜23、第1保護層22と封止樹脂8との密着性(密着強度)を評価するプリン試験を示す斜視図である。プリン試験とは、板の上に、プリン型に成型した樹脂を接合させ、横方向、例えば、図14の矢印Tの方向に一定の力で樹脂を押し、樹脂が取れるまでにかかった力(密着力)を測定する試験であって、板と樹脂との密着性(密着強度)を示すものである。密着性は密着力および単位面積当たりの密着力でも示される。測定された力が大きいほど密着性が高くなる。 Figure 14 is a perspective view showing a pudding test for evaluating the adhesion (adhesion strength) between the first protective layer 22 and the second protective film 23, and between the first protective layer 22 and the sealing resin 8 in a power semiconductor module according to an embodiment. The pudding test is a test in which a resin molded into a pudding mold is bonded to a plate, the resin is pressed with a constant force laterally, for example in the direction of arrow T in Figure 14, and the force (adhesion force) applied until the resin is removed is measured, which indicates the adhesion (adhesion strength) between the plate and the resin. Adhesion is also indicated by adhesion force and adhesion force per unit area. The greater the measured force, the higher the adhesion.

具体的には、第1保護層22の材料と第2保護膜23の材料ないし、第1保護層22と封止樹脂8との密着性をプリン試験で評価する場合、10mm角の正方形のアルミニウム基板をエタノールで清浄化し、100℃で1時間乾燥後、基板表面に第1保護層22としてポリイミド膜を形成し、実施の形態の場合、前記ポリイミド膜に凹部を形成し、ポリイミド膜上に専用のプリン型を固定した。プリン型に第2保護膜23としてポリイミド樹脂または封止樹脂8としてエポキシ樹脂を注入し、所定の条件で硬化させ、基板上に接着面積10mm2(φ3.57mm)、上面φ3mm、高さ4mmの硬化物を形成した。この硬化物を固定し、基板面と平行に1mm/secで押し込み、最大破壊荷重を測定した。試験は各5回実施し、単位接合面積当たりの荷重測定値を密着力とした。室温で測定し、単位はMPaである。なお、第1保護層22、第2保護膜23として、ポリイミドを、封止樹脂8としてエポキシ樹脂を用いたが、これに限らず同様の傾向であり、密着性の向上が図られた。 Specifically, when the material of the first protective layer 22 and the material of the second protective film 23, or the adhesion between the first protective layer 22 and the sealing resin 8, is evaluated by the pudding test, a square aluminum substrate with a side of 10 mm is cleaned with ethanol, dried at 100° C. for 1 hour, and then a polyimide film is formed on the substrate surface as the first protective layer 22. In the embodiment, a recess is formed in the polyimide film, and a dedicated pudding mold is fixed on the polyimide film. A polyimide resin as the second protective film 23 or an epoxy resin as the sealing resin 8 is injected into the pudding mold, and cured under predetermined conditions to form a cured product on the substrate with an adhesive area of 10 mm 2 (φ3.57 mm), an upper surface φ3 mm, and a height of 4 mm. The cured product is fixed and pressed parallel to the substrate surface at 1 mm/sec to measure the maximum breaking load. The test is performed five times, and the load measurement value per unit bonding area is taken as the adhesion force. It is measured at room temperature, and the unit is MPa. Although polyimide was used as the first protective layer 22 and the second protective film 23, and epoxy resin was used as the sealing resin 8, the same tendency was observed in other cases, and the adhesion was improved.

以上、説明したように、実施の形態の半導体装置の製造方法によれば、第1保護膜に凹部を形成し、凹部が形成された領域に第2保護膜を塗布する。これにより、凹部の中に第2保護膜が入り込み、第1保護膜と第2保護膜との接触面積が増加し、アンカー効果が増大する。このため、上部電極膜と第1保護膜との剥離が生じたとしても第1保護膜と第2保護膜の部分への剥離進展を防止できる。また、第1保護膜と封止樹脂が接する個所に凹部が形成されると、凹部の中に封止樹脂が入り込み、第1保護層と封止樹脂の密着性が向上する。 As described above, according to the semiconductor device manufacturing method of the embodiment, a recess is formed in the first protective film, and the second protective film is applied to the area where the recess is formed. This allows the second protective film to enter the recess, increasing the contact area between the first protective film and the second protective film, and enhancing the anchor effect. Therefore, even if peeling occurs between the upper electrode film and the first protective film, it is possible to prevent the peeling from progressing to the first protective film and the second protective film. Furthermore, when a recess is formed at the location where the first protective film and the sealing resin contact, the sealing resin enters the recess, improving the adhesion between the first protective layer and the sealing resin.

以上において本発明は本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であり、上述した各実施の形態において、例えば各部の寸法や不純物濃度等は要求される仕様等に応じて種々設定される。また、上述した各実施の形態では、半導体として、シリコンの他、炭化珪素、窒化ガリウム(GaN)などのワイドバンドギャップ半導体にも適用可能である。 The present invention can be modified in various ways without departing from the spirit of the invention, and in each of the above-mentioned embodiments, for example, the dimensions of each part and the impurity concentration are set in various ways according to the required specifications. Furthermore, in each of the above-mentioned embodiments, the semiconductor can be applied to wide band gap semiconductors such as silicon carbide and gallium nitride (GaN) in addition to silicon.

以上のように、本発明にかかる半導体装置の製造方法は、インバータなどの電力変換装置や種々の産業用機械などの電源装置や自動車のイグナイタなどに使用されるパワー半導体装置に有用である。 As described above, the manufacturing method of the semiconductor device according to the present invention is useful for power semiconductor devices used in power conversion devices such as inverters, power supply devices for various industrial machines, igniters for automobiles, etc.

1 パワー半導体チップ
2 積層基板
3a、3b、3c 接合材
4 電極パターン
5 金属基板
6 リードフレーム配線
7 端子ケース
8 封止樹脂
9 金属端子
10 金属ワイヤ
12 積層基板
20、120 半導体基板上の半導体素子
21、121 AlSi電極
22、122 第1保護膜
23、123 第2保護膜
24、124 上部電極膜
25、125 はんだ
26 凹部
27 治具
50 パワー半導体モジュール
REFERENCE SIGNS LIST 1 Power semiconductor chip 2 Laminated substrate 3a, 3b, 3c Bonding material 4 Electrode pattern 5 Metal substrate 6 Lead frame wiring 7 Terminal case 8 Sealing resin 9 Metal terminal 10 Metal wire 12 Laminated substrate 20, 120 Semiconductor element on semiconductor substrate 21, 121 AlSi electrode 22, 122 First protective film 23, 123 Second protective film 24, 124 Upper electrode film 25, 125 Solder 26 Recess 27 Jig 50 Power semiconductor module

Claims (9)

半導体基板上に半導体素子を形成する第1工程と、
前記半導体素子のおもて面に、前記半導体素子に電気的に接続された電極層を形成する第2工程と、
前記電極層上に、選択的に第1保護膜を形成する第3工程と、
前記第1保護膜上の、前記第1保護膜と上部電極膜とが接する部分を覆う第2保護膜が形成される部分に凹部を形成する第4工程と、
前記電極層上の前記第1保護膜以外の部分に、前記第1保護膜と接するように上部電極膜を形成する第5工程と、
前記上部電極膜と前記第1保護膜とが接する部分に前記第2保護膜を形成する第6工程と、
を含み、
前記第4工程では、前記凹部を複数形成し、前記凹部間の距離を10μm以上30μm以下に前記凹部を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
A first step of forming a semiconductor element on a semiconductor substrate;
a second step of forming an electrode layer on a front surface of the semiconductor element, the electrode layer being electrically connected to the semiconductor element;
a third step of selectively forming a first protective film on the electrode layer;
a fourth step of forming a recess in a portion of the first protective film where a second protective film is to be formed, the second protective film covering a portion where the first protective film and the upper electrode film are in contact with each other;
a fifth step of forming an upper electrode film on the electrode layer other than the first protective film so as to be in contact with the first protective film;
a sixth step of forming the second protective film at a portion where the upper electrode film and the first protective film are in contact with each other;
Including,
The fourth step comprises forming a plurality of the recesses, and the recesses are formed so that the distance between the recesses is 10 μm or more and 30 μm or less.
半導体基板上に半導体素子を形成する第1工程と、A first step of forming a semiconductor element on a semiconductor substrate;
前記半導体素子のおもて面に、前記半導体素子に電気的に接続された電極層を形成する第2工程と、a second step of forming an electrode layer on a front surface of the semiconductor element, the electrode layer being electrically connected to the semiconductor element;
前記電極層上に、選択的に第1保護膜を形成する第3工程と、a third step of selectively forming a first protective film on the electrode layer;
前記第1保護膜上の、前記第1保護膜と上部電極膜とが接する部分を覆う第2保護膜が形成される部分に凹部を形成する第4工程と、a fourth step of forming a recess in a portion of the first protective film where a second protective film is to be formed, the second protective film covering a portion where the first protective film and the upper electrode film are in contact with each other;
前記電極層上の前記第1保護膜以外の部分に、前記第1保護膜と接するように上部電極膜を形成する第5工程と、a fifth step of forming an upper electrode film on the electrode layer other than the first protective film so as to be in contact with the first protective film;
前記上部電極膜と前記第1保護膜とが接する部分に前記第2保護膜を形成する第6工程と、a sixth step of forming the second protective film at a portion where the upper electrode film and the first protective film are in contact with each other;
を含み、Including,
前記第4工程では、前記凹部の深さを前記第1保護膜の厚さの30%以上80%以下に前記凹部を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。The method for manufacturing a semiconductor device, wherein in the fourth step, the recess is formed so that its depth is 30% to 80% of the thickness of the first protective film.
前記第4工程では、凸部を有する治具を前記第1保護膜に押し当てることにより前記凹部を形成することを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。3. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein in the fourth step, the recess is formed by pressing a jig having a protrusion against the first protective film. 前記第4工程では、前記第1保護膜の粘度が300Pa・s以上1000Pa・s以下であるときに、前記凹部を形成することを特徴とする請求項1~3のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。4. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein in the fourth step, the recess is formed when the viscosity of the first protective film is 300 Pa·s or more and 1000 Pa·s or less. 前記第4工程では、前記凹部の直径を10μm以上30μm以下に前記凹部を形成することを特徴とする請求項1~4のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 1 to 4, characterized in that in the fourth step, the recess is formed to have a diameter of 10 μm or more and 30 μm or less. 前記第4工程では、前記第1保護膜のおもて面を底辺とした台形形状に前記凹部を形成することを特徴とする請求項1~5のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。6. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein in the fourth step, the recess is formed in a trapezoidal shape with the front surface of the first protective film as a base. 前記第4工程では、前記凹部を前記第1保護膜と前記上部電極膜とが接する部分から10μm以上30μm以下離して、前記凹部を形成することを特徴とする請求項1~6のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。7. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein in the fourth step, the recess is formed at a distance of 10 μm to 30 μm from a portion where the first protective film and the upper electrode film contact each other. 前記第1保護膜および前記第2保護膜は、ポリイミド膜であることを特徴とする請求項1~7のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。8. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the first protective film and the second protective film are polyimide films. 前記上部電極膜は、ニッケルリン(NiP)であることを特徴とする請求項1~8のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。9. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the upper electrode film is made of nickel phosphorus (NiP).
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