JP2003218303A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 素子側電極に回路側電極が直接接続された構
成であって、その接合部の耐久性に優れた半導体装置を
提供すること。 【解決手段】 回路基板70に半導体素子10が実装さ
れている。半導体素子10の上面にはエミッタ電極(素
子側電極)22が設けられている。エミッタ電極22に
は、半田50によって回路側電極30が直接接続されて
いる。この回路側電極30はその全体がメッシュ状であ
り、半田50の少なくとも一部は回路側電極30に浸透
している。回路側電極30は、エミッタ電極22と接続
された部分に続いて引出部34を有する。この引出部3
4を介してエミッタ電極22と回路パターン74とが電
気的に接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】 本発明は半導体装置に関
し、詳しくは、半導体素子に設けられた素子側電極に回
路側電極が接続された半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】 半導体素子に設けられた電極(素子側
電極)と、この半導体素子が実装される回路側に設けら
れた電極(回路側電極;典型的には金属板からなる)と
を備えるとともに、この素子側電極が回路側電極に直接
(ボンディングワイヤ等を介することなく)接続された
半導体装置が知られている。このような実装構造は、素
子側電極と回路側電極とをワイヤボンディングにより接
続する構造等に比べて放熱性を高めやすい傾向にある。
このため半導体素子からの発熱量が比較的多い半導体装
置(パワーデバイス等)に適している。例えば特開20
00−183249号公報には、パワー半導体チップと
直接接続する主回路配線をブスバーで構成したパワー半
導体モジュールが開示されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】 ところで、一般に半
導体素子と回路側電極(典型的には、Al,Cu等の金
属材料からなる)とは熱膨張の程度が大きく異なる。こ
のため、前述のように素子側電極に回路側電極を直接接
続する構造では、半導体装置の使用により生じる温度変
化によって半導体素子(素子側電極)と回路側電極の間
に熱応力が発生する。この熱応力を減らすことができれ
ば、素子側電極と回路側電極の接合部の耐久性をさらに
向上させ得るので好ましい。
【0004】そこで本発明は、素子側電極に回路側電極
が接続された構成であって、その接合部の耐久性に優れ
た半導体装置を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段と作用と効果】 本発明者
は、メッシュ状(網状)の回路側電極を用いることによ
り上記課題を解決できることを見出した。
【0006】本発明により提供される半導体装置は、素
子側電極が設けられた半導体素子と、その素子側電極に
接続された回路側電極とを備える。その回路側電極は、
素子側電極との接続部(以下、素子接続部ともいう。)
と、その素子接続部に続く引出部を有する。回路側電極
は、この引出部を介して素子側電極と外部回路とを電気
的に接続している。その回路側電極は、素子接続部およ
び引出部がいずれもメッシュ状である。
【0007】このようなメッシュ状の回路側電極は、バ
ルク状(単純な板状等)の回路側電極に比べて高い柔軟
性を有する傾向にある。この柔軟性により、半導体素子
(素子側電極)と回路側電極との間に生じる応力等が緩
和され得る。このことによって素子側電極と回路側電極
の接合部の耐久性を向上させることができる。その結
果、半導体装置の長期的な信頼性がさらに良好なものと
なり得る。例えば、回路側電極の素子接続部がメッシュ
状であることにより、半導体素子(素子側電極)と回路
側電極との熱膨張程度程度の違いに起因する熱応力の発
生をよく緩和することができる。また、この回路側電極
の引出部がメッシュ状であることにより、引出部に加わ
る応力(熱応力および/または機械的応力)をよく緩和
することができる。したがって回路側電極と素子側電極
の接合部にはこの応力が伝わりにくい。このことによっ
て接合部の耐久性を向上させ得る。引出部の一部または
全体が回路基板等から浮いた状態に(空中に)保持され
ている場合には、引出部が回路基板の上に載置されてい
る場合等に比べて、この引出部に応力が加わりやすい傾
向がある。このため、本発明を適用することによる効果
が特によく発揮される。
【0008】なお、ここで回路側電極が「メッシュ状で
ある」とは、この回路側電極を構成する材料に複数の貫
通孔が比較的高密度に(互いに近接して)形成されてい
る状態をいう。メッシュ状の回路側電極として使用し得
る材料の例としては、繊維状の導電材料を不規則に絡み
合わせたもの(不織布等)や、繊維状の導電材料を規則
的に絡み合わせたもの(例えば格子状に編んだもの等)
が挙げられる。さらに、前述のような効果(応力緩和効
果)が得られる限りにおいて、多数の貫通孔が近接して
形成された金属板や金属箔等を構成材料とする回路側電
極も「メッシュ状の回路側電極」の概念に含まれる。
【0009】前記回路側電極は、前記半導体素子の上面
に設けられた素子側電極(上面電極)に接続されている
ことが好ましい。このような構成の半導体装置では、引
出部の一部または全体が回路基板等から浮いた状態にな
りやすい。したがって本発明を適用することによる効果
が特によく発揮される。
【0010】このような半導体装置のうち好ましいもの
では、回路側電極が導電性接合材によって素子側電極に
接続されている。その導電性接合材の少なくとも一部は
メッシュ状の回路側電極に浸透している。かかる接続構
造では、導電性接合材(典型的には半田)がメッシュ状
の回路側電極に浸透して(食い込んで)いる。このよう
な構造を有することにより、表面が平らな金属板(バル
ク状の金属板)からなる回路側電極等に比べて、導電性
接合材と回路側電極との接合強度を向上させ得る。した
がって素子側電極と回路側電極の接合部の耐久性を向上
させることができる。例えば、導電性接合材と回路側電
極の接合界面に損傷が生じること(剥離の発生等)が抑
制される。また、素子側電極に回路側電極(素子接続
部)を接続する際に使用する導電性接合材の量がバラつ
いたとしても、導電性接合材がメッシュ状の素子接続部
に浸透する程度によってそのバラつきを吸収することが
できる。これにより、接合部の外縁から接合材がはみ出
すことが抑制される。
【0011】
【発明の実施の形態】 この発明は、また、下記の形態
で実施することを特徴とする。
【0012】(形態1)メッシュ状の回路側電極が金網
から構成されている。金網としては、細い金属糸(針
金)を規則的に(例えば格子状に)編んだものが好まし
く用いられる。このような回路側電極は応力緩和性能が
良好である。
【0013】(形態2)メッシュ状の回路側電極が金属
繊維の不織布から構成されている。不織布としては比較
的嵩高な(空隙率が高い)ものが好ましく用いられる。
このような回路側電極は、厚さ方向の応力(例えば、回
路側電極の素子接続部に、素子側電極とは反対側の面か
ら加えられる機械的応力)を緩和する性能にも優れる。
【0014】(形態3)接合部を構成する回路側電極に
は、平均して、素子側電極に面する側から回路側電極の
厚さの25%以上(より好ましくは50%以上)の範囲
まで導電性接合材(典型的には半田)が浸透している。
回路側電極の厚さの全体に導電性接合材が浸透していて
もよい。さらに、回路側電極の厚みの全体が導電性接合
材に埋まっていてもよい。このような接合部は、導電性
接合材(典型的には半田)がメッシュ状の回路側電極に
よく食い込んでいるので接合強度が特に良好である。
【0015】(形態4)半導体素子の上面電極に回路側
電極が接続された構成において、その素子接続部の上側
(上面電極に面する側とは反対側)は開放されている
(塞がれていない)。この場合には、メッシュ状の素子
接続部を通して余剰の接合材を素子接続部の上面にまで
染み出させることができる。したがって、接合部の外縁
から導電性接合材がはみ出すことをよく防止することが
できる。
【0016】
【実施例】以下、本発明の好適な実施例について詳細に
説明する。本発明の半導体装置に備えられる半導体素子
としては各種の半導体素子(IGBT(Insulated Gate
Bipolar Transistor)等のバイポーラトランジスタ
や、MOS等の電界効果型トランジスタ等)を用いるこ
とができる。本発明の半導体装置がパワーデバイスであ
る(典型的には、IGBT、パワーMOS等の電力用半
導体素子を備える)場合には、本発明を適用することに
よる効果が特によく発揮される。
【0017】この半導体素子に設けられた電極のうち回
路側電極と接続される素子側電極の種類は特に問わな
い。好適例としては、電力用半導体素子のエミッタ電極
および/またはコレクタ電極(特に好ましくはエミッタ
電極)が挙げられる。回路側電極と接続される素子側電
極は、半導体素子の上面に設けられた電極(上面電極)
であることが好ましい。
【0018】回路側電極を構成する材料としては、導電
性および熱伝導性が高い材料が適している。例えば、
銅、銀、金、白金、ニッケル、コバルト、亜鉛等の純金
属およびそれらを含む合金が好ましく使用される。ま
た、これらの材料の表面に半田濡れ性のよい金属(ニッ
ケル、クロム、金等)がメッキされていてもよい。この
ようなメッキ層を設けることにより、導電性接合材(典
型的には半田)に対する濡れ性の向上、材料費の低減、
耐酸化性の向上等を実現し得る。
【0019】前記「導電性接合材」の典型例としては、
半田に代表される低融点金属類が挙げられる。また、有
機高分子等からなるマトリックス樹脂中に導電性充填材
が分散された導電性樹脂材料を導電性接合材として用い
てもよい。このマトリックス樹脂としてはエポキシ樹
脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂
等を用いることができる。導電性充填材としては、銅、
銀、金、白金、ニッケル、カーボン等からなる導電性繊
維、導電性微粒子等を用いることができる。
【0020】以下、本発明をパワーデバイスに適用した
具体的実施例を説明するが、本発明をかかる実施例に示
すものに限定することを意図したものではない。
【0021】本発明の実施例に係る半導体装置の要部断
面図を図1に示す。電力用半導体素子(IGBT)10
には、その一方の面にエミッタ電極22およびゲート電
極(図示せず)が設けられ、他方の面にコレクタ電極2
4が設けられている。半導体素子10の下面(コレクタ
電極側の面)は、セラミックス(例えば窒化アルミニウ
ム)を主体とする回路基板70に接合(半田付)されて
いる。回路基板70の表面には回路パターン72,74
が形成されている。回路パターン72とコレクタ電極2
4は半田52を介して直接接続されている。
【0022】一方、半導体素子10の上面(エミッタ電
極側の面)には、その全体がメッシュ状の形状を有する
回路側電極30が接合(半田付)されている。回路側電
極30の一端には素子接続部32が設けられている。こ
の素子接続部32は半田50を介してエミッタ電極22
に直接接続されている。また、素子接続部32の上側
(エミッタ電極22に面する側とは反対側)は開放され
ている。素子接続部32に続く部分の回路側電極30
は、エミッタ電極22と回路側電極30(素子接続部3
2)との接合部から半導体素子10の外方へと引出され
た引出部34を形成している。この引出部34に続く部
分の回路側電極30は、半田54を介して回路パターン
74に直接接続される回路接続部36を形成している。
このように、回路側電極30は、引出部34を介してエ
ミッタ電極22と回路パターン74を電気的に接続して
いる。この引出部34は、回路基板70や半導体素子1
0から浮いた状態で、半導体素子10の上面と回路パタ
ーン74との間に張り渡されている。
【0023】この回路側電極30の構造につき詳しく説
明する。回路側電極30を構成する材料としては、図2
に模式的に示すように、細い銅線30aを格子状に編ん
でなる金網30を用いた。金網30を構成する銅線30
aとしては、直径が概ね50〜1000μm(より好ま
しくは100〜500μm)のものを使用することが好
ましい。また、金網の平均網目サイズは、縦横のいずれ
か一方が概ね50〜1000μmの範囲にあることが好
ましい。本実施例では、直径約200μmの銅線30a
からなり、平均網目サイズが縦横ともに約500μmで
ある金網を使用した。
【0024】図2に示すように、この金網30の全体形
状(半導体装置を構成する前の初期形状)は長方形状で
ある。その長手方向に素子接続部32、引出部34およ
び回路接続部36が順に形成されている。金網を構成す
る銅線30aは、その長手方向に平行な方向および長手
方向と直交する方向(幅方向)に延びている。すなわ
ち、この金網の網目は長手方向に平行な方向および直交
する方向に配列されている。なお、長手方向と非平行な
方向(例えば、長手方向に対して+45°および−45
°となる方向)に網目が配列された金網を用いてもよ
い。
【0025】回路側電極(素子接続部)とエミッタ電極
とを接続するには、例えば、エミッタ電極の上に板状の
半田(導電性接合材)を載せ、その半田の上に回路側電
極の素子接続部を載置した後に、加熱により半田を溶融
させればよい。あるいは、エミッタ電極上であらかじめ
半田を加熱溶融させておき、その溶融した半田の上に素
子接続部を載置してもよい。このとき、半田を溶融させ
た状態で素子接続部を半導体素子側に押圧することがで
きる。この押圧により半田の素子接続部への浸透(食い
込み)が促進される。このことによって回路側電極と素
子側電極との接合強度がさらに向上する。
【0026】回路側電極とエミッタ電極を接続する際、
半田と素子接続部の界面、半田とエミッタ電極の界面ま
たは半田の内部にエアを噛み込むことがある。本実施例
ではメッシュ状の回路側電極を用いているので、エアを
噛み込んだ場合にもそのエアを回路側電極(素子接続
部)の網目から外部へと逃すことができる。これにより
半田の内部または接合界面にボイドが発生しにくくなる
という効果が得られる。これにより半導体装置の性能を
安定化し得る。
【0027】また、回路側電極としてバルク状の材料
(金属板等)を用いると、半田の使用量が多すぎた場合
に、余剰の半田が接合部外縁からはみ出すことがある。
これに対して本実施例のようにメッシュ状の回路側電極
を用いると、余剰の半田は網目を通して接合部の上方へ
と染み出す。したがって、半田が接合部外縁からはみ出
すこと(半田の回りこみ)が抑制される。これにより半
導体装置の製造歩留まりを向上させ得る。エミッタ電極
(素子側電極)に回路側電極を接続する際、バルク状の
材料からなる回路側電極では、その素子接続部に反り等
の変形が生じていると適切な接合部を形成し辛くなる場
合がある。柔軟なメッシュ状の回路側電極を用いること
により、かかる現象の発生を回避することができる。
【0028】回路側電極(素子接続部)とエミッタ電極
とを接続するにあたっては、メッシュ状の回路側電極に
あらかじめ半田を染み込ませたものを作製し、この半田
を染み込ませた回路側電極をエミッタ電極に接続しても
よい。
【0029】回路側電極(回路接続部)と回路パターン
の接続工程は、回路側電極とエミッタ電極との接続工程
と同様にして行うことができる。これらの接続工程は同
時に行ってもよく、別々に(順次に)行ってもよい。こ
こで、回路側電極30はメッシュ状であり柔軟性が高い
ので、製造誤差等により素子側電極22と回路パターン
74との相対位置がバラついた場合にも(図1参照)、
回路側電極30(特に引出部34)を容易に変形(伸
縮、捩れ等)させて、この回路側電極30と素子側電極
22および回路パターン74を適切に接続することがで
きる。また、回路側電極30をエミッタ電極22および
回路パターン74に接続した後に、温度変化等によって
素子側電極22と回路パターン74との相対位置が変動
した場合にも、その変動を回路側電極30(特に引出部
34)の変形によって吸収することができる。このこと
によって、回路側電極30とエミッタ電極22または回
路パターン74との接合部にかかる応力を緩和すること
ができる。
【0030】なお、回路側電極(回路接続部)と回路パ
ターンの接続工程は以下のようにして行うこともでき
る。すなわち、図3に示すように、回路接続部36の幅
方向の両端付近に位置決め穴38を設けておく。この位
置決め穴38は、例えば金網30の網目サイズを部分的
に大きくすることにより形成することができる。一方、
回路基板70側には、図1に仮想線で示すように、回路
パターン74の所定箇所に位置決めピン39を立ててお
く。そして、位置決めピン39を位置決め穴38に嵌め
るようにして回路側電極30(回路接続部36)を配置
する。かかる接続工程によると、回路側電極30の位置
精度をさらに向上させることができる。
【0031】本実施例の半導体装置は、柔軟性の高いメ
ッシュ状の回路側電極を用いてエミッタ電極(素子側電
極)と回路パターン(外部回路)とを接続している。素
子接続部が柔軟であるので、半導体装置の使用時等にお
いて素子側電極と回路側電極との間に生じる熱応力をよ
く緩和することができる。また、引出部が柔軟であるの
で、引出部に加わる応力(熱応力および/または機械的
応力)等をよく緩和することができる。したがって回路
側電極と素子側電極の接合部にはこの応力が伝わりにく
い。接合部を構成する半田(半田層)の少なくとも一部
は回路側電極に浸透しているので、このメッシュ状の回
路側電極によって半田層を補強することができる。これ
らのうち一または二以上の効果により、素子側電極と回
路側電極の接合部および/または回路側電極と外部回路
の接合部の耐久性が向上する。その結果、半導体装置の
長期的な信頼性を向上させることができる。
【0032】なお、上記実施例では回路側電極として一
重に編まれた金網を用いたが、このように二次元的なメ
ッシュ構造を有する金網に代えて、繊維状の金属がある
程度の厚さをもって編まれた金網を用いてもよい。ま
た、繊維状の金属を不規則に絡み合わせてなる不織布、
綿状体等を用いてもよい。このように三次元的なメッシ
ュ構造を有する回路側電極によると、余剰の半田を吸収
する効果(半田のはみ出しを抑制する効果)がさらに高
まる。また、回路側電極の面方向の応力を緩和する効果
に加えて、厚さ方向の応力を緩和する効果をも得ること
ができる。
【0033】また、繊維状の金属からなる金網や不織布
等に代えて、金属板または金属箔から形成されたメッシ
ュ状の金属材料を回路側電極に用いてもよい。このよう
な金属材料を作製する方法としては、金属板または金属
箔に多数の貫通孔を高密度で(例えば打ち抜き加工によ
り)設ける方法が例示される。また、以下の方法により
メッシュ状金属材料を作製してもよい。
【0034】すなわち、図4に示すように、長方形状の
金属板に長方形状の貫通孔82を多数形成してなる電極
中間体84を用意する。これらの貫通孔82は、それぞ
れ電極中間体84の幅方向とほぼ平行な複数の点線状と
なるように配置されている。また、各点線を構成する貫
通孔82の間隙は、隣接する点線を構成する貫通孔82
の間隙とは交互に位置をずらして配置されている。次い
で、このような電極中間体84を長手方向に引っ張る。
これにより、図5に示すように、各貫通孔82が大まか
には菱形状に広がる。その結果、長手方向に対して概ね
+45°および−45°となる方向に網目が配列された
メッシュ状の金属材料86が得られる。このように電極
中間体84を長手方向に引っ張ることにより、引っ張り
前に比べて柔軟性がさらに向上する。
【0035】なお、長方形状の貫通孔が形成された電極
中間体に代えて、金属板を貫通するとともにこの金属板
の幅方向に延びる多数の切れ目を点線状に形成した電極
中間体を用いてもよい。この電極中間体を長手方向(切
れ目の延びる方向とほぼ直交する方向)に引っ張ると、
切れ目が大まかには菱形状に広がる。このようにしてメ
ッシュ状の金属材料を得ることができる。
【0036】以上、本発明の具体例を詳細に説明した
が、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定する
ものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上
に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれ
る。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、
単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性
を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせ
に限定されるものではない。また、本明細書または図面
に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであ
り、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的
有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施例に係る半導体装置の要部を示す断面図
である。
【図2】 実施例の回路側電極を構成する金網を示す平
面図である。
【図3】 回路側電極を構成する金網の他の例を示す平
面図である。
【図4】 回路側電極を作製するための電極中間体を示
す平面図である。
【図5】 図4に示す電極中間体から作製された回路側
電極を示す平面図である。
【符号の説明】
10:半導体素子 22:エミッタ電極(素子側電極、上面電極) 24:コレクタ電極(素子側電極) 30:回路側電極、金網 32:素子接続部(接続部) 34:引出部 50,52,54:半田(導電性接合材) 70:回路基板 72,74:回路パターン(外部回路)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 戸嶋 秀樹 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 深見 武志 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 素子側電極が設けられた半導体素子と、 その素子側電極に接続された回路側電極とを備え、 その回路側電極は、素子側電極との接続部およびその接
    続部に続く引出部を有するとともに、その引出部を介し
    て素子側電極と外部回路とを電気的に接続しており、そ
    の接続部および引出部はいずれもメッシュ状であること
    を特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】 前記回路側電極は前記半導体素子の上面
    に設けられた素子側電極に接続されている請求項1に記
    載の半導体装置。
  3. 【請求項3】 前記回路側電極は導電性接合材によって
    前記素子側電極に接合されており、その導電性接合材の
    少なくとも一部はその回路側電極に浸透している請求項
    1または2に記載の半導体装置。
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