JP2009038139A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】銅などの第１の導体の持つ導電率及び熱伝導性と、アルミニウムなどの第２の導体の持つ、素子電極とリード端子電極との電気的な接続を簡便にする機能を兼ね備える連結導体を有する半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体素子４に設けられた複数個の素子電極５と、リードフレームに設けられた複数個のリード６を有し、前記素子電極５のうち、少なくとも１個の電極と、前記リード６のうち、少なくとも１個の電極とを電気的に接続する連結導体を備え、前記連結導体３は、金属を主体とする第１の導体１と第２の導体２からなり、前記第１の導体１と前記第２の導体２は電気的に接続され、前記素子電極５と前記リード端子電極６はそれぞれ前記第２の導体２と電気的に接続されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に半導体素子とリード端子を接続する連結導体、例えば半導体素子の一つであるＭＯＳＦＥＴのソース電極とリード端子とを電気的に接続する連結導体に関するものである。
近年、半導体装置の消費電力の低減が望まれており、その手段の一つとして、半導体装置が動作時の実質的な抵抗成分であるオン抵抗の低減が進められている。このうち、半導体素子を保護するとともに外部接続端子としての役割を果たすパッケージの占めるオン抵抗の低減技術について説明する。
半導体装置の製造工程のうち、組立工程の一例は、以下のとおりである。まず、所望の素子領域および配線の形成されたウエハから切り出された半導体素子は、銅を主成分とする板状体を加工して形成され、アイランド部（半導体素子搭載部）と、このアイランド部に先端が近接するように形成されたリード端子からなるリード部とを備えたリードフレームのアイランド部に搭載される。次に、半導体素子の表面上に形成された素子電極は、金線やアルミニウム線などの連結導体を用いて、アイランド部の周縁に近接して設けられたリード端子と電気的に接続される。その後、半導体素子及びリードフレームは、リード端子の先端の一部を残して、樹脂等で封止されてパッケージ化され、半導体装置となる。ここでパッケージとは、リードを含むリードフレームと、封止樹脂とをあわせたものをいうこととする。図８は従来例の半導体装置を示す図である。
ここで、半導体素子とリードとの接続に、ボンディングワイヤと呼ばれる金線やアルミニウム線などの連結導体用いた場合、１本あたりの線径が数十から数百μｍ程度である。オン抵抗を低減するためには、数十から数百本の金線やアルミニウム線などを用いる必要があり、コストの増大や組立工程の複雑化を招く。
そのため、特許文献１では、金属細線に代えて銅からなる板状の連結導体を用いて、半導体素子とリード端子を電気的に接続する方法が記載されている。素子電極とリード端子とを連結導体で電気的に接続するために、半田などの導体が用いられている。
また、特許文献２には、アルミニウムからなる板状の連結導体を用いて、半導体素子とリード端子を電気的に接続する方法が記載されている。素子電極とリード端子とを連結導体で電気的に接続するために、半田などを用いる必要はなく、超音波接続により接続することが可能である。
銅またはアルミニウムからなる板状の連結導体を用いることで、パッケージの占めるオン抵抗の低減が可能であり、１ミリΩ以下の抵抗を実現できる。さらには、放熱性の観点から見れば、金線やアルミニウム線に比べて熱伝導度が高くなるため、半導体素子からリードフレームへの放熱性が良くなり、より高い電流容量を実現できる。
特開平８−１４８６２３（第４頁、図１） 特開２００２−３１４０１８（第１６頁、図２）
しかしながら、銅からなる板状の連結導体を用いた場合、素子電極とリード端子とを連結導体で電気的に接続するためには、半田などの導体で接続する必要がある。また、素子電極には半田濡れ性の良い金属材料を用いる必要があるために、一般的に素子電極の材料として用いられるアルミニウムを利用出来ないという問題を有していた。
他方、アルミニウムは銅の次に導電率が優れているものの、銅に比べて約６割低い導電率であるために、銅に比べて約２倍の厚い板状の電極を用いる必要がある。このため、半導体装置のパッケージの厚さが厚くなる欠点を有していた。さらに、アルミニウムの熱伝導性も銅に比べて約６割低いために、銅に比べて半導体素子からリードフレームへの熱伝導性が低下する欠点を有していた。
よって、本発明の目的は、銅の持つ導電率及び熱伝導性と、アルミニウムの持つ素子電極とリード端子との電気的な接続を簡便にする機能を兼ね備える連結導体を有する半導体装置を提供することにある。
前記目的を解決するために、本発明にかかる半導体装置は、所望の素子領域および素子電極が形成された半導体基板と、複数個のリードを備えたリード部と、前記素子電極と、前記リード部の前記素子電極に対応するリードとを電気的に接続する連結導体とを具備し、前記連結導体が、少なくとも、第１の導体と、前記素子電極あるいは前記リードとの当接する領域に配された第２の導体とを具備したことを特徴とする。
これにより、前記連結導体に任意の材料を組み合わせることができるため、前記連結導体に前記第１の導体と前記第２の導体の有する機能、すなわち、複数の機能を持たせることが可能である。例えば、第１の導体には導電性と機械的強度、第２の導体には、素子電極あるいはリードとの当接する領域における接合強度の向上などの機能を持たせることができる。
また本発明は、上記半導体装置において、前記連結導体が、第１の導体と、少なくとも前記素子電極あるいは前記リードと当接する領域で前記第１の導体に積層された第２の導体とで構成されたものを含む。
この構成により、第２の導体はそれ自体が十分な強度を持たない場合にも第１の導体によって強度を補償され、より強固な接合が可能となる。また、前記連結導体に、前記第１の導体のもつ高い導電率と熱伝導性、及び前記第２の導体のもつ前記半導体素子の素子電極と前記リードとの電気的な接続を簡便にする機能を持たせることができる。
また本発明は、上記半導体装置において、前記第１の導体は、銅を主体とする材料で形成されたものを含む。
また本発明は、上記半導体装置において、前記第２の導体は、アルミニウムを主成分とする材料で構成されたものを含む。
また本発明は、上記半導体装置において、前記第２の導体は、アルミニウム、銀、金、ニッケル、チタンなどの少なくとも１種の金属を含むものを含む。
また本発明は、上記半導体装置において、素子電極あるいは前記リードは、それぞれ前記第２の導体を介して超音波接続によって前記連結導体と電気的に接続されたものを含む。
また本発明は、上記半導体装置において、前記第２の導体は、表面に凹凸を有するものを含む。
また本発明は、上記半導体装置において、前記第１の導体は、湾曲面を有するものを含む。
これにより、前記素子電極と前記リードとを前記連結導体と電気的に接続する際に、前記半導体素子に電気的に接触することなく形成することができる。
また本発明は、上記半導体装置において、前記連結導体は複数に分割形成されたものを含む。
このように、前記連結導体を複数本用いて、前記素子電極及び前記リードを電気的に接続してもよい。これにより、前記連結導体を様々な大きさを有する前記素子電極及び前記リードに対して用いることができるため、コストの削減が可能である。また、１枚で幅広形状となるように形成する場合に比べて、複数に分割することで、取り扱いも容易で、ボンディング性も高く、曲げに対しても耐性を維持することができる。
また本発明は、所望の素子領域および素子電極が形成された半導体基板と、複数個のリードを備えたリード部と、前記素子電極と、前記リード部の前記素子電極に対応するリードとを電気的に接続する連結導体とを具備した半導体装置の製造方法であって、第１の導体と、第２の導体とを具備した連結導体を、少なくとも前記素子電極および前記リードと当接する領域に前記第２の導体を挟み、超音波接合する工程を含む。
これにより、半田などを用いなくとも、前記連結導体を前記素子電極及び前記リードに接続することができ、高い導電性及び高い熱伝導性を備えることができる。また、半田を用いる工程が不要となるため、組立工程の簡素化が可能である。さらに、前記連結導体に凹凸の形状を具備することにより、超音波接続時における強度を強めることなく密着性を高めることができる。
以上のように、本発明の半導体装置によれば、連結導体に任意の材料を組み合わせることができるため、連結導体に第１の導体と第２の導体の有する機能、すなわち、複数の機能を持たせることが可能である。例えば、第１の導体には導電性と機械的強度、第２の導体には、素子電極あるいはリードとの当接する領域における接合強度の向上などの機能を持たせることができる。一例としては、銅の持つ導電率及び熱伝導性と、アルミニウムの持つ素子電極とリードとの電気的な接続の簡便さを兼ね備えることができる。
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における半導体装置の斜視図である。図１において、半導体素子４は、リードフレームのリード６の一端に連結導体３を介して電気的に接続されており、第１の導体１は銅を主成分とする板状の導体であり、第２の導体２は、半導体素子４に設けられた素子電極５とリードフレームのリード６を電気的に接続するためのアルミニウム層である。この連結導体３は第１の導体１の一方の面に第２の導体２が積層されたもので、図１においては、第２の導体２の上に第１の導体１が電気的に接続されるように層状に形成されている。第２の導体２の、リード６と電気的に接続される側の面は平坦であるが、凹凸が形成されていてもよい。半導体素子４は、リードフレームの島状電極である半導体素子搭載部７の上に形成されている。なお、半導体素子４と半導体素子搭載部７は、半田などの導体を介して電気的に接続されている。
第２の導体２はアルミニウムで構成されているため、素子電極３及びリード６と超音波接続によって電気的に接続することができる。よって、連結導体３は、第１の導体の持つ高い伝導率と熱伝導性の機能と、第２の導体の持つ電気的な接続を簡便にする機能の２つの機能を有す。したがって、半導体素子４が動作する時のパッケージの占めるオン抵抗を低減でき、また、半導体素子４で発生する熱を効率良く外部に放出することが出来る。また、連結導体３を素子電極５とリード６とを電気的に接続する際、超音波接合により容易に接合可能であるため、半田接合を用いる場合に比べて、工法を簡素化することができる。
なおこの、連結導体は、厚さ０．１ｍｍ程度の銅板に、厚さ０．０５ｍｍ程度のアルミニウム箔を接合し、所望の形状に切断して形成される。アルミニウムは超音波接合が容易であり、加工性も良好である。銅は導電性が高く、機械的強度も高いという特徴を有する。
また、第１の導体としての銅板に、スパッタリングやＣＶＤ法などを用いた薄膜形成によって第２の導体としてのアルミニウム薄膜を形成してもよいしまた、めっき法を用いてもよい。
以上、本発明の実施の形態１に係る半導体装置について説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。
例えば、前記実施の形態１において、第２の導体としてはアルミニウム層を用いたが、アルミニウムを主成分とする金属、銀、金、ニッケル、チタンなどの金属を用いてもよい。第２の導体としては、融点が低く超音波接合が容易であるものが望ましいが、リードあるいは素子電極との密着性の良好な材料であればよく、必要に応じて半田を介在させるようにしてもよい。
また、第１の導体は第２の導体の全面に渡って上側に形成されているが、第１の導体と第２の導体が電気的に接続されていれば、第１の導体の一部が第２の導体の下面に露出していてもよい。また、第２の導体は第１の導体と全面に渡って電気的に接続されているが、一部が電気的に接続されていなくても良い。さらに、第１の導体のみが連結導体３の一部に存在していても良い。
また前記実施の形態では、接続導体は湾曲形状をなすように構成したが、直線状であってもよい。例えば半導体素子搭載部７がリード６の端面よりも低い位置に配置され、素子電極５とリード６の高さが同一である場合には、接続導体は湾曲面を構成せず、平坦面であってもよい。
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における半導体装置の模式図である。前記実施の形態1と異なるのは、アルミニウム層で構成された第２の導体２が、素子電極３及びリード６と超音波接続によって電気的に接続される領域に対してのみ設けられた点である。なお、以下の実施の形態２の説明において、実施の形態１にて説明したものと同一要素には同一符号を付して、それらに関する詳しい説明は省略する。
この構成によれば、前記実施の形態１による作用効果に加え、湾曲形状となる部分は第１の導体１層構造であるため、折り曲げによる剥離を生じたりすることなく、機械的強度を維持することができる。
また湾曲形状となる部分は第１の導体１層で薄いため、形状加工が容易となる。
なおこの、連結導体は、厚さ０．１ｍｍ程度の銅板に、厚さ０．０５ｍｍ程度のアルミニウム箔を接合し、フォトリソグラフィを用いてパターニングしアルミニウム箔の一部を残すように形成した後所望の形状に切断して形成される。
また、銅板への、アルミニウム層の形成は薄膜形成によって形成してもよいしまた、めっき法を用いてもよい。選択めっきを用いることで、工程の簡略化をはかることができる。
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３における半導体装置の実装に用いられる連結導体の模式図である。なお、以下の実施の形態３の説明において、実施の形態１にて説明した半導体装置と同一要素には同一符号を付して、それらに関する詳しい説明は省略する。
図３において、第２の導体２は、凹凸、曲面及び平面の組み合わせからなる板状の導体で形成されている。図４はこの連結導体の第２の導体形成面側から見た平面図である。本実施の形態では、特に、第２の導体２と、素子電極５及びリード６を電気的に接続する領域に凹凸の形状を有する板状の導体を用いることで、超音波接続時における密着性を高めることができる。例えば、凹凸の表面の面積を、凹凸を持たない表面の面積の２倍にすれば、密着性を約２倍に高めることができる。または、超音波接続時の超音波の強度を小さくしても密着性を確保できるため、半導体素子４への超音波の衝撃を抑制し、電気的特性への影響を低減することができる。
以上、本発明の実施の形態３に係る半導体装置について説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。
例えば、実施の形態３において、図４に示すように、第２の導体２は四角形の格子状の凹凸を有する板状の導体で形成されているが、円状、非円形、多角形、無秩序に形成された幾何学模様上の形などでも良い。また、第１の導体１は、第２の導体２と素子電極５及びリード６とが接触する領域では、直接接触していないが、接触させる如く形成しても良い。この場合においても、超音波接続時の密着性を高めることができる。
なお、この凹凸は第２の導体２と素子電極５及びリード６とが接触する領域など一部においてのみ形成してもよく、先端が突出した形状をなすものであってもよい。
（実施の形態４）
図５は、本発明の実施の形態４における半導体装置に用いられる接続導体の断面図、図６は接合面側から見た平面図である。前記実施の形態３と異なるのは、前記実施の形態４では、一部の第１の導体１が接合面に露呈するようにしかつ、第２の導体を、第１の導体表面から突出するパターン形状をなすように形成した点である。なお、以下の実施の形態４の説明において、実施の形態３にて説明したと同一要素には同一符号を付して、それらに関する詳しい説明は省略する。
前記実施の形態３では、第１の導体１は、第２の導体２と素子電極５及びリード６と接触する領域では、直接接触していないが、本実施の形態４では、接続導体３と素子電極５及びリード６とが接触する領域では、第２の導体２がパターン形状をなすように形成されており、一部の第１の導体１が接合面に露呈しているため、第２の導体２が超音波により溶融し第１の導体１と素子電極５及びリード６との接触性を高めることができる。
（実施の形態５）
図７は、本発明の実施の形態４における半導体装置の斜視図である。なお、以下の実施の形態５の説明において、実施の形態１にて説明したと同一要素には同一符号を付して、それらに関する詳しい説明は省略する。
図７において、連結導体３は、素子電極５及びリード６と複数の連結導体３を用いて電気的に接続される。これにより、どのような面積を有する素子電極５に対しても、１種類の連結導体３で対応することができる。よって、連結導体３の部品の種類を１種類でまかなうことができるので、コストの削減と在庫の削減が可能である。
また、１枚で幅広形状となるように連結導体を形成する場合に比べて、複数に分割することで、取り扱いも容易で、ボンディング性も高く、曲げに対しても耐性を維持することができる。
以上、本発明の実施の形態５に係る半導体装置について説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。
例えば、実施の形態５において、図７においては、連結導体３の数は３個であるが、１個以上であれば何個でも良い。また、複数の連結導体３は等間隔に平行に接続されているが、等間隔である必要はなく、また、それぞれが平行の関係になくても良い。
本発明は、低抵抗でかつ接合強度の高い連結導体を構成することから、大電流の流れるパワーデバイスに適用可能であり、特にそのソース電極とリードなどの接合に有効である。
本発明の実施の形態１における半導体素子、リードフレーム及び連結導体を備えた半導体装置の斜視図 本発明の実施の形態２における半導体素子、リードフレーム及び連結導体を備えた半導体装置の斜視図 本発明の実施の形態３における連結導体の模式図 本発明の実施の形態３における連結導体の模式図 本発明の実施の形態４における連結導体の模式図 本発明の実施の形態４における連結導体の模式図 本発明の実施の形態５における半導体素子、リードフレーム及び連結導体を備えた半導体装置の斜視図 従来の半導体装置における半導体素子４と連結導体３およびリード端子６の接続構造を模式的に示す斜視図
符号の説明
１ 第１の導体
２ 第２の導体
３ 連結導体
４ 半導体素子
５ 素子電極
６ リード端子
７ 半導体素子搭載部

Claims (10)

  1. 所望の素子領域および素子電極が形成された半導体基板と、
    複数個のリードを備えたリード部と、
    前記素子電極と、前記リード部の前記素子電極に対応するリードとを電気的に接続する連結導体とを具備し、
    前記連結導体が、少なくとも、第１の導体と、前記素子電極あるいは前記リードとの当接する領域に配された第２の導体とを具備した半導体装置。
  2. 請求項１に記載の半導体装置であって、
    前記連結導体が、第１の導体と、少なくとも前記素子電極あるいは前記リードと当接する領域で前記第１の導体に積層された第２の導体とで構成された半導体装置。
  3. 請求項１または２に記載の半導体装置であって、
    前記第１の導体は、銅を主体とする材料で形成された半導体装置。
  4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置であって、
    前記第２の導体は、アルミニウムを主成分とする材料で構成された半導体装置。
  5. 請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置であって、
    前記第２の導体は、アルミニウム、銀、金、ニッケル、チタンなどの少なくとも１種の金属を含む半導体装置。
  6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体装置であって、
    素子電極あるいは前記リードは、それぞれ前記第２の導体を介して超音波接続によって前記連結導体と電気的に接続された半導体装置。
  7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体装置であって、
    前記第２の導体は、表面に凹凸を有する半導体装置。
  8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の半導体装置であって、
    前記第１の導体は、湾曲面を有する半導体装置。
  9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の半導体装置であって、
    前記連結導体は複数に分割形成された半導体装置。
  10. 所望の素子領域および素子電極が形成された半導体基板と、
    複数個のリードを備えたリード部と、
    前記素子電極と、前記リード部の前記素子電極に対応するリードとを電気的に接続する連結導体とを具備した半導体装置の製造方法であって、
    第１の導体と、第２の導体とを具備した連結導体を、少なくとも前記素子電極および前記リードと当接する領域に前記第２の導体を挟み、超音波接合する工程を含む半導体装置の製造方法。
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