JP2012038983A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【目的】電極パッドに接続する接続導体により、電極パッドに加わる熱応力を小さくするとともに、接続導体の抵抗を低く維持し、製造コストを低減できる半導体装置を提供する。
【解決手段】銅の第2接続リード8に熱膨張率が(1〜6)×10-6/Kの鉄ニッケル合金の第1接続リード6を溶接7などで接続し、第1接続リード6の先端を電極パッド4にはんだ5で固着することで、電極パッド4に加わる熱応力を小さくできる。
電極パッド4と第1接続リード6の熱膨張差で発生する熱応力を小さくすることで、はんだ5や電極パッド4下のシリコンにクラックが生じることを防止できる。
また、第1接続リード6の長さを第1接続リード6と第2接続リード8を合わせた長さの40%未満とすることで、電気抵抗を低く維持し接続導体の低コスト化を図ることができる。
【選択図】 図1
【解決手段】銅の第2接続リード8に熱膨張率が(1〜6)×10-6/Kの鉄ニッケル合金の第1接続リード6を溶接7などで接続し、第1接続リード6の先端を電極パッド4にはんだ5で固着することで、電極パッド4に加わる熱応力を小さくできる。
電極パッド4と第1接続リード6の熱膨張差で発生する熱応力を小さくすることで、はんだ5や電極パッド4下のシリコンにクラックが生じることを防止できる。
また、第1接続リード6の長さを第1接続リード6と第2接続リード8を合わせた長さの40%未満とすることで、電気抵抗を低く維持し接続導体の低コスト化を図ることができる。
【選択図】 図1
Description
この発明は、例えば、MOSFETの主電極パッド(ソース電極パッド)に接続導体が固着した半導体装置に関する。
図3は、特許文献1に開示されている半導体装置の構成図であり、同図(a)は要部平面図、同図(b)は同図(a)のY−Y線で切断した要部断面図である。
図3において、ヒートシンクと支持架の役割を持つ金属ベース板120に電気絶縁特性を持つセラミック基板119が半田で接合されている。セラミック基板には銅の表面にニッケルめっきが施された配線導体121,122,129が形成されている。中央部の配線導体122上には、IGBTチップ111とダイオードチップ124が半田によりペレット接合されている。両チップのアルミニウム電極パッド112,125には、銅リード113,126が超音波接合により接続され、銅リードの一方の端は配線導体121に半田接合されている。銅リードの中央部には、金属ベース板とセラミック基板からなるベース基板118と銅リードの熱膨張差や温度差に基づく歪を吸収するため、銅リードの板厚を薄くし90°に折り曲げた変位吸収構造部117が設けられている。また、銅リードのチップ側の先端部には、モリブデンチップ114,115が接合され、アルミニウム電極パッドに対面するモリブデン114表面にはアルミニウム膜116が蒸着されている。
図3において、ヒートシンクと支持架の役割を持つ金属ベース板120に電気絶縁特性を持つセラミック基板119が半田で接合されている。セラミック基板には銅の表面にニッケルめっきが施された配線導体121,122,129が形成されている。中央部の配線導体122上には、IGBTチップ111とダイオードチップ124が半田によりペレット接合されている。両チップのアルミニウム電極パッド112,125には、銅リード113,126が超音波接合により接続され、銅リードの一方の端は配線導体121に半田接合されている。銅リードの中央部には、金属ベース板とセラミック基板からなるベース基板118と銅リードの熱膨張差や温度差に基づく歪を吸収するため、銅リードの板厚を薄くし90°に折り曲げた変位吸収構造部117が設けられている。また、銅リードのチップ側の先端部には、モリブデンチップ114,115が接合され、アルミニウム電極パッドに対面するモリブデン114表面にはアルミニウム膜116が蒸着されている。
図3において、シリコンチップと金属リードの熱膨張差を5.0×10-6/K以下にすることで、温度サイクルに伴う接合部の内部熱応力による接合界面に沿った疲労破壊を防止することができる。また、リードの中間部にベース基板と金属リードの熱膨張差に伴う歪を低応力で吸収できる変位吸収構造を設けているので、リードから接合部に加わる外部応力を小さくすることができる。以上の2つの効果によって、シリコンチップ/金属リード接合部の熱疲労寿命を大幅に改善することができる。
しかし、前記の特許文献1で開示されている半導体装置では、電極パッドとリード間に多層構造の応力緩衝材を挿入しており、この応力緩衝材を形成するための製造コストが高い。また、リードの端部に低熱膨張材を接合する構造も開示されているがやはり製造コストが高くなる。
この発明の目的は、前記の課題を解決して、電極パッド下のシリコンに加わる熱応力を小さくし、製造コストを低減できる半導体装置を提供することにある。
前記の目的を達成するために、特許請求の範囲の請求項1に記載の発明によれば、半導体チップと、該半導体チップの表側に配置された電極パッドと、該電極パッドにはんだで固着する第1接続導体と、該第1接続導体に固着する第2接続導体とを有する半導体装置であって、前記第1接続導体が鉄ニッケル合金で形成され、前記第2接続導体が銅系で形成される半導体装置とする。
また、特許請求の範囲の請求項2記載の発明によれば、請求項1に記載の発明において、前記鉄ニッケル合金が、ニッケルの比率が31〜44重量%の鉄ニッケル合金であるとよい。
また、特許請求の範囲の請求項3記載の発明によれば、請求項1または2に記載の発明において、前記第1接続導体の熱膨張係数が、(1〜6)×10-6/Kであるとよい。
また、特許請求の範囲の請求項記載の発明によれば、半導体チップと、該半導体チップの表側に配置された電極パッドと、該電極パッドにはんだで固着する第1接続導体と、該第1接続導体に固着する第2接続導体とを有する半導体装置であって、前記第1接続導体が銅とインバーと銅を張り合わせたクラッド材で形成され、前記第2接続導体が銅系で形成される半導体装置とする。
また、特許請求の範囲の請求項記載の発明によれば、半導体チップと、該半導体チップの表側に配置された電極パッドと、該電極パッドにはんだで固着する第1接続導体と、該第1接続導体に固着する第2接続導体とを有する半導体装置であって、前記第1接続導体が銅とインバーと銅を張り合わせたクラッド材で形成され、前記第2接続導体が銅系で形成される半導体装置とする。
また、特許請求の範囲の請求項5記載の発明によれば、請求項3に記載の発明において、前記クラッド材の熱膨張係数が、(1〜6)×10-6/Kであるとよい。
この発明において、第1接続導体(第1接続リード)をニッケルが42〜50重量%の鉄ニッケル合金で形成し、その熱膨張率を(1〜6)×10-6/Kにすることで、この第1接続導体がはんだで固着される電極パッド下のシリコンに加わる熱応力を小さくできる。
このように、電極パッドと第1接続導体の熱膨張差で発生する熱応力を小さくすることで、はんだや電極パッド下のシリコンにクラックが導入されるのを防止できる。
また、第1接続導体に銅+インバー+銅のクラッド材を用いても同様の効果が得られる。
また、第1接続導体に銅+インバー+銅のクラッド材を用いても同様の効果が得られる。
前記第1接続導体にニッケルが31〜44重量%の鉄ニッケル合金やクラッド材を用いることで、特許文献1の構造より製造コストを低くできる。
実施の形態を以下の実施例で説明する。
図1は、この発明の一実施例の半導体装置の要部断面図である。この半導体装置は、リードフレームから切り出された銅ベース1と、この銅ベース1にはんだ2で裏面が固着する半導体チップ3からなる。この半導体チップ3は、例えば、MOSFETチップなどである。
また、半導体チップ3の表側の電極パット4、この電極パッド4にはんだ5で固着する第1接続リード6と、この第1接続リード6に溶接7で固着される銅系からなる第2接続リード8からなる。この溶接7はアーク溶接の一種であるTIG溶接やスポット溶接およびレーザー溶接などがある。また、第2接続リード8の長手方向に穴を掘って、この穴に第1接続リード6を挿入し、かしめて固定しても構わない。尚、銅系としては純銅の他に、銅合金なども含まれる。
また、本実施例の半導体装置は、リードフレームから切り出される銅で形成されて第2接続リード8とはんだ9で固着される外部接続導体10と、この外部接続導体10の先端部10aと銅ベースの端部1aおよび銅ベースの底面1bを露出させて、これらを封止するモールド樹脂11とを有している。
前記の第2接続リード8は銅で形成され、第1接続リード6はニッケルの比率が31〜44重量%の鉄ニッケル合金で形成され、その熱膨張係数(線膨張率)は(1〜6)×10-6/K(1×10-6/K〜6×10-6/K)になる。ニッケルの比率が31〜44重量%の鉄ニッケル合金にするのは、電極パッド4下のシリコン(半導体チップ3の材料)の熱膨張係数に合わせるためである。また、熱膨張係数を(1〜6)×10-6/Kにすることでシリコンの熱膨張係数に近づく。なお、シリコンと銅の熱膨張係数(線膨張率)は、それぞれ2.6×10-6/Kと16.5×10-6/Kである。この第1接続リード6を用いることで、電極パッド4との接合部であるはんだ5にクラックが生じることを防止できる。
図2は、鉄ニッケル合金でのニッケルの含有量と熱膨張係数の関係を示す図である。
ニッケル含有量を31〜44重量%とすることで、熱膨張係数を(1〜6)×10-6/Kとすることができる。ニッケル含有量を33重量%もしくは38.5重量%近傍(32〜34重量%もしくは37.5〜39.5重量%)にしてシリコンの熱膨張係数である2.6×10-6/Kに合せるとシリコンとの熱応力が極めて小さくなり好ましい。
ニッケル含有量を31〜44重量%とすることで、熱膨張係数を(1〜6)×10-6/Kとすることができる。ニッケル含有量を33重量%もしくは38.5重量%近傍(32〜34重量%もしくは37.5〜39.5重量%)にしてシリコンの熱膨張係数である2.6×10-6/Kに合せるとシリコンとの熱応力が極めて小さくなり好ましい。
また、第1接続リード6の長さを第1接続リード6の長さと第2接続リード8の長さを合わせた長さの40%未満とすることで電気抵抗を低く維持し製造コストを低減できる。この第1接続リード6の長さは短い程、電気抵抗が小さくなるので好ましい。
また、第1接続リード6を銅とインバーと銅を張り合わせたクラッド材(複合素材)で形成し、その熱膨張係数を(1〜6)×10-6/Kに合せることで同様な効果が期待できる。また、前記のインバーはNiを36重量%含むFe−36%Ni合金材であり、張り合わせる銅材との厚みの比率を変えることで複合材の熱膨張係数を最適値にすることができる。
図1の半導体装置の製造方法について説明する。リードフレームの銅ベース1となる箇所にはんだ2を介して半導体チップ3の裏面を固着する。
つぎに、半導体チップ3の表側に形成された電極パッド4(例えば、ソースパッド)と第1接続リード6をはんだ5で固着する。この第1接続リード6は予め第2接続リード8に溶接7で固着されている。
つぎに、半導体チップ3の表側に形成された電極パッド4(例えば、ソースパッド)と第1接続リード6をはんだ5で固着する。この第1接続リード6は予め第2接続リード8に溶接7で固着されている。
つぎに、第1接続リード6が溶接7で固着されている第2接続リード8とリードフレームの外部接続導体10となる箇所とをはんだ9で固着する。
つぎに、銅ベース1となるリードフレームの端部(1aに相当する)と底面(1bに相当する)を露出させ、外部接続導体10となとなるリードフレームの端部(10aに相当する)を露出させて、全体をモールド樹脂11で封止する。
つぎに、銅ベース1となるリードフレームの端部(1aに相当する)と底面(1bに相当する)を露出させ、外部接続導体10となとなるリードフレームの端部(10aに相当する)を露出させて、全体をモールド樹脂11で封止する。
最後に、リードフレームの繋がっている箇所を切断して完成する。
1 銅ベース
1a 銅ベースの端部
1b 銅ベースの底面
2 はんだ
3 半導体チップ
4 電極パッド
5 はんだ
6 第1接続リード
7 溶接
8 第2接続リード
9 はんだ
10 外部接続導体
10a 外部接続導体の先端部
11 モールド樹脂
1a 銅ベースの端部
1b 銅ベースの底面
2 はんだ
3 半導体チップ
4 電極パッド
5 はんだ
6 第1接続リード
7 溶接
8 第2接続リード
9 はんだ
10 外部接続導体
10a 外部接続導体の先端部
11 モールド樹脂
Claims (5)
- 半導体チップと、該半導体チップの表側に配置された電極パッドと、該電極パッドにはんだで固着する第1接続導体と、該第1接続導体に固着する第2接続導体とを有する半導体装置であって、前記第1接続導体が鉄ニッケル合金で形成され、前記第2接続導体が銅系で形成されることを特徴とする半導体装置。
- 前記鉄ニッケル合金が、ニッケルの比率が31〜44重量%の鉄ニッケル合金であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記第1接続導体の熱膨張係数が、(1〜6)×10-6/Kであ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。
- 半導体チップと、該半導体チップの表側に配置された電極パッドと、該電極パッドにはんだで固着する第1接続導体と、該第1接続導体に固着する第2接続導体とを有する半導体装置であって、前記第1接続導体が銅とインバーと銅を張り合わせたクラッド材で形成され、前記第2接続導体が銅系で形成されることを特徴とする半導体装置。
- 前記クラッド材の熱膨張係数が、(1〜6)×10-6/Kであることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010179146A JP2012038983A (ja) | 2010-08-10 | 2010-08-10 | 半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010179146A JP2012038983A (ja) | 2010-08-10 | 2010-08-10 | 半導体装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2012038983A true JP2012038983A (ja) | 2012-02-23 |
Family
ID=45850628
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2010179146A Pending JP2012038983A (ja) | 2010-08-10 | 2010-08-10 | 半導体装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP2012038983A (ja) |
-
2010
- 2010-08-10 JP JP2010179146A patent/JP2012038983A/ja active Pending
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