JP2012081481A - 電子部品における電極の接続構造 - Google Patents

Abstract

【課題】上部電極と被接合部材間の隙間を毛細管現象の発生する隙間に維持する必要が無く、且つ被接合部材と上部電極との接合強度を高めることが可能な電子部品における電極の接続構造の提供にある。
【解決手段】上面が平面状の基部１１と、表面が平面状で第１電極１３および第２電極１４とを備えた被接合部材としての半導体素子１２と、半導体素子１２と間隔を空けて配置された板状の電極としての上部電極１５と、半導体素子１２と上部電極１５とを接合する半田とをそなえた電子部品における電極の接続構造であって、上部電極１５の側面１５Ｃ〜１５Ｅは、下面１５Ｂから上面１５Ａに向かうほど外側に広がるような傾斜面で形成され、上部電極１５の下面１５Ｂと半導体素子１２の第２電極１４とが平行となるように配置して、側面１５Ｃ〜１５Ｅを第２電極１４と対向して配置させる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、半導体素子など電子部品における電極の接続構造に関する。

特許文献１における図３及び図４で示す従来技術においては、ベース電極としての基部上に半導体素子が半田を介して接合されると共に、半導体素子上に上部電極が半田を介して接合された半導体装置が開示されている。半導体素子上には、信号線を接続（ワイヤボンディング）するための信号電極が設けられ、半導体素子上における信号電極が設けられた領域以外の領域に上部電極が半田で接合されている。上部電極には、半田供給用の注入孔が貫通形成されている。

この半導体装置の製造方法は、まず、基部上に半導体素子を半田を介して接合させた後、ワイヤボンディングにより半導体素子上の信号電極と外部電極とをワイヤにより接続させる。次に、半導体素子上に上部電極を所定間隔を保持しつつ対向配置させ、加熱装置で半導体装置全体を加熱させながら半田注入孔から溶融半田を供給する。供給された半田は、半田自身の毛細管現象により、半導体素子と上部電極との狭い隙間に侵入し、適量充填される。その後加熱装置から取り出し硬化させることにより、半導体素子と上部電極とが半田により接合される。

特開２００４−３０３８６９号公報

しかし、特許文献１で開示された従来技術においては、半導体素子と上部電極間の隙間が、毛細管現象の発生するような狭小な隙間である必要があり、この隙間が大きすぎると毛細管現象が起こらず半導体素子と上部電極間の隙間に半田が充分に供給されない恐れがあり、逆にこの隙間が小さすぎると半田注入孔から供給された溶融半田は隙間に侵入しづらく、半導体素子と上部電極間の隙間に半田が充分に供給されない恐れがある。このため、半導体素子と上部電極との接合強度が低下してしまう問題がある。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、上部電極と電子部品間の隙間を毛細管現象の発生する隙間に維持する必要が無く、且つ電子部品と上部電極との接合強度を高めることが可能な電子部品における電極の接続構造の提供にある。

上記の課題を解決するために、請求項１記載の発明は、平面状の被接合面を有する被接合部材と、少なくとも一部が該被接合部材と間隔を空けて配置される板状の電極と、前記被接合部材の被接合面と前記電極とを接合する半田とを備えた電子部品における電極の接続構造であって、前記電極の側面の少なくとも一部は前記被接合部材の被接合面と対向することを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、電極の側面の少なくとも一部は被接合部材の被接合面と対向していることにより、例えば、電極上のおもて面に供給された半田を側面の一部を伝わらせて電極の裏面に回り込ませ電極と被接合部材の被接合面間の隙間に供給することができる。従って、電極と被接合部材間の隙間を毛細管現象の発生する隙間に維持しなくても電極と被接合部材の被接合面間の隙間に半田を供給することができるため、被接合部材と電極との接合強度を高めることが可能である。なお、「対向する」とは、電極の側面と被接合部材の被接合面とが平行の場合のみならず互いに向き合っている場合も含んでいる。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の電子部品における電極の接続構造において、前記被接合部材の被接合面と対向する前記側面は、前記電極における前記被接合部材の被接合面と半田により接合されない非接合面に対して傾斜する傾斜面であることを特徴とする。

請求項２記載の発明によれば、電極と被接合部材間の隙間を毛細管現象の発生する隙間に維持しなくても電極と被接合部材の被接合面間の隙間にはんだを供給することができる。

請求項３記載の発明は、請求項１に記載の電子部品における電極の接続構造において、前記電極は前記被接合部材に対して傾斜して配置したことを特徴とする。

請求項３記載の発明によれば、電極は前記被接合部材に対して傾斜して配置されているので、電極における被接合部材の被接合面と半田により接合されない非接合面に対して傾斜する傾斜面を形成する必要が無く、製造工数を削減可能である。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電子部品における電極の接続構造において、前記電極は、短冊状であり、被接合部材の被接合面と半田により接合される接合面と、前記接合面と反対側の非接合面と、前記接合面の側縁部および前記非接合面の側縁部から延びる側面とからなり、前記半田は、前記電極の非接合面より前記側面を伝わって供給されたものであることを特徴とする。

請求項４記載の発明によれば、半田は電極の非接合面より側面を伝わって供給されたものなので、電極の非接合面上に半田を供給するだけでよく、半田の供給が簡単である。

本発明によれば、電極の側面の一部を被接合部材の被接合面と対向させることにより、電極と被接合部材間の隙間を毛細管現象の発生する隙間に維持しなくても電極と被接合部材の被接合面間の隙間に半田を供給することができる。

第１の実施形態に係る半導体素子における電極の接続構造を示す斜視図である。（ａ）半田接合前の状態を示し、（ｂ）半田接合後の状態を示す。 図１におけるＡ−Ａ線断面図である。 図１におけるＢ−Ｂ線断面図である。 第１の実施形態に係る接続構造の製造工程を説明するための模式図である。（ａ）基部上に接合された半導体素子上に間隔を空けて電極を配置する工程を示し、（ｂ）半導体装置を加熱装置内に配置し電極上より溶融半田を滴下させる工程を示し、（ｃ）電極上に滴下された溶融半田が半導体素子と電極間の隙間に供給される工程を示し、（ｄ）半田を供給後硬化させた状態を示す。 第２の実施形態に係る半導体素子における電極の接続構造を示す模式断面図である。（第１の実施形態における図１に相当する断面図） 第２の実施形態に係る半導体素子における電極の接続構造を示す模式断面図である。（第１の実施形態における図２に相当する断面図） 第２の実施形態に係る接続構造の製造工程を説明するための模式図である。（ａ）基部上に接合された半導体素子上に間隔を空けて電極を配置する工程を示し、（ｂ）半導体装置を加熱装置内に配置し電極上より溶融半田を滴下させる工程を示し、（ｃ）電極上に滴下された溶融半田が半導体素子と電極間の隙間に供給される工程を示し、（ｄ）半田を供給後硬化させた状態を示す。 その他の実施形態に係る半導体素子における電極の接続構造を示す模式断面図である。

（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態に係る電子部品としての半導体素子における電極の接続構造を図１〜図４に基づいて説明する。
図１〜図３に示すように、半導体装置１０は、上面が平面状の基部１１と、表面が平面状の第１電極１３および第２電極１４とを備えた被接合部材としての半導体素子１２と、半導体素子１２と間隔を空けて配置された板状の電極としての上部電極１５から構成され、基部１１と第１電極１３とは第１半田層１６を介して接合され、第２電極１４と上部電極１５とは第２半田層１７を介して接合されている。なお、第１電極１３および第２電極１４は被接合部材の被接合面に相当する。また、図１（ａ）は、上部電極１５と半導体素子１２の第２電極１４とが半田接合される前の状態を示し、図１（ｂ）は、上部電極１５と半導体素子１２の第２電極１４とが半田接合された後の状態を示している。

基部１１は、金属製で所定の厚さを有する材料が用いられており、材料としては、銅、アルミニウム、又はこれらの合金等を含んだ導電性で熱伝導性の良い金属材料が使用されている。

半導体素子１２は、矩形の形状を有し、裏面に第１電極１３が形成され、おもて面に第２電極１４が形成されている。第１電極１３及び第２電極１４は、ニッケル、チタンやアルミニウム等で形成されている。半導体素子１２としては、例えば、ＩＧＢＴのような電力制御素子などが用いられている。半導体素子１２のおもて面における短辺方向の側縁部のうちの一方には、制御用電極１８が形成され制御用電極１８は図示しない外部電極とワイヤ１９により接続されている。従って、第１電極１３は半導体素子１２の裏面のほぼ全面に渡り形成されているが、第２電極１４は半導体素子１２のおもて面における制御用電極１８の形成された部位を含まない領域に形成されている。

上部電極１５は、所定の厚みを有し短冊状の板状部材から形成されている。材料としては、銅、アルミニウム、又はこれらの合金等を含んだ導電性で熱伝導性の良い金属材料が使用されている。詳述すると、上部電極１５は、非接合面としての上面１５Ａと、上面１５Ａより一回り小さく形成され上面１５Ａと反対側の被接合部材の被接合面と半田により接合される接合面としての下面１５Ｂと、上面１５Ａの側縁部および下面１５Ｂの側縁部から延びる側面１５Ｃ〜１５Ｅとから構成されている。
側面１５Ｃ〜１５Ｅは、下面１５Ｂから上面１５Ａに向かうほど外側に広がるように形成されている。つまり、側面１５Ｃ〜１５Ｅは上面１５Ａ及び下面１５Ｂに対して傾斜した傾斜面であり、上部電極１５の断面形状は、逆台形状となっている。

図２に示すように、上部電極１５は、下面１５Ｂと半導体素子１２の第２電極１４とが平行となるように間隔を空けて配置されるとともに、側面１５Ｃ〜１５Ｅが第２電極１４と対向するように配置されている。

上部電極１５の下面１５Ｂ及び側面１５Ｃ〜１５Ｅと第２電極１４間に第２半田層１７が形成されている。また、基部１１と第１電極１３間に第１半田層１６が形成されている。なお、第１半田層１６及び第２半田層１７は、スズ（Ｓｎ）等を含む同一組成、同一融点の半田を使用して形成されている。

次に、上記構造を有する半導体装置１０についてその製造工程を図４に基づき説明する。
先ず、基部１１上にはんだ箔を介して半導体素子１２を載せ、図示しない加熱装置によって所定の温度ではんだ箔を溶融させ、その後硬化させて半導体素子１２と基部１１との半田付けを行い、半導体素子１２上の第１電極１３と基部１１とを第１半田層１６を介して接合させる。
図４（ａ）に示すように、この基部１１と半田接合された半導体素子１２上に上部電極１５を治具にて隙間距離ｄ１だけ間隔を空けて対向配置させる。詳述すると、上部電極１５の先端側の側面１５Ｃを制御用電極１８側に向けて、上部電極１５の下面１５Ｂと半導体素子１２の第２電極１４とが平行となるように配置する。（図１（ａ）参照）このとき、側面１５Ｃ〜１５Ｅは半導体素子１２の第２電極１４とそれぞれ対向している。

次に、図４（ｂ）に示すように、図４（ａ）に示す状態にある半導体装置を加熱装置内に入れて、装置全体を加熱させながら上方に配置された半田供給装置２０から溶融半田を供給する。半田供給装置２０から供給された溶融半田は、上部電極１５の上面１５Ａ上に滴下されて半球状に貯まるが、上部電極１５の半田ぬれ性により、上部電極１５の上面１５Ａ上をぬれ広がり径を拡大させつつ周辺に移動する。

次に、図４（ｃ）に示すように、上面１５Ａ上に広がった溶融半田は、側面１５Ｄ、１５Ｅに到達し、側面１５Ｄ、１５Ｅを伝わって下面１５Ｂ側に回り込む。ところで、側面１５Ｄ、１５Ｅは下面１５Ｂから上面１５Ａに向かうほど外側に広がるように形成された傾斜面なので、側面１５Ｄ、１５Ｅを通過した溶融半田は下面１５Ｂ側にスムースに回り込み、図４（ｃ）に矢印で示すように、下面１５Ｂ上を広がるように移動し、下面１５Ｂと第２電極１４間の隙間及び、側面１５Ｄ、１５Ｅと第２電極１４間に半田が充填される。

また、図示しないが、上面１５Ａ上を先端側に向けて広がった溶融半田は、側面１５Ｃに到達し、側面１５Ｃを伝わって下面１５Ｂ側に回り込む。ところで、側面１５Ｃは下面１５Ｂから上面１５Ａに向かうほど外側に広がるように形成された傾斜面なので、側面１５Ｃを通過した溶融半田は下面１５Ｂ側にスムースに回り込み、下面１５Ｂ上を広がるように移動し、下面１５Ｂと第２電極１４間の隙間及び、側面１５Ｃと第２電極１４間に半田が充填される。

次に、図４（ｄ）に示すように、加熱装置から取り出し冷却させることにより半田が硬化し、第２電極１４と上部電極１５とが第２半田層１７を介して接合される。特に、側面１５Ｃ〜１５Ｅと第２電極１４間には、半田が裾広がり状となったフィレットが形成される。

この第１の実施形態に係る半導体装置１０によれば以下の効果を奏する。
（１）上部電極１５は、下面１５Ｂと半導体素子１２の第２電極１４とが平行となるように間隔を空けて配置されるとともに、側面１５Ｃ〜１５Ｅが第２電極１４と対向するように配置されている。よって、上部電極１５の上面１５Ａ上に滴下された溶融半田を側面１５Ｃ〜１５Ｅを伝わらせて下面１５Ｂ側に回り込ませ、上部電極１５と第２電極１４間の隙間に半田を供給することが可能である。従って、上部電極１５と第２電極１４間の隙間を毛細管現象の発生する隙間に維持しなくても電極と被接合部材の被接合面間の隙間に半田を供給することができる。また、隙間を毛細管現象の発生する隙間とする必要が無いので、設計の自由度を向上させることが可能である。
（２）半田の供給は上部電極１５の上面１５Ａ上に溶融半田を滴下させるだけでよく、上部電極１５に半田注入用孔を設けたり、隙間の側方より半田を供給したりする必要が無く、半田の供給が簡単である。
（３）側面１５Ｃ〜１５Ｅと第２電極１４間には、半田が裾広がり状となったフィレットが形成されるので、上部電極１５と半導体素子１２間の接合強度を一層高めることが可能である。
（４）超音波探傷法により上部電極１５裏面の接合状態を検査するときに、上部電極１５の断面が逆台形状となっていることにより、上部より入射した超音波が上部電極１５端部で減衰することが軽減され、端部の接合状態の検査が可能となる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る半導体装置３０を図５〜図７に基づいて説明する。
この実施形態は、第１の実施形態における上部電極１５の側面形状及び上部電極１５と半導体素子１２の位置関係を変更したものであり、その他の構成は共通である。
従って、ここでは説明の便宜上、先の説明で用いた符号を一部共通して用い、共通する構成についてはその説明を省略し、変更した個所のみ説明を行う。

図５及び図６に示すように、上部電極３１は、所定の厚みを有し短冊状の板状部材から形成されおり、非接合面としての上面３１Ａと、上面３１Ａと反対側の半田が接合される接合面としての下面３１Ｂと、上面３１Ａの側縁部及び下面３１Ｂの側縁部から延びる側面３１Ｃ〜３１Ｅとから構成されている。
側面３１Ｃ〜３１Ｅは、上面３１Ａ及び下面３１Ｂに対し垂直となるように形成された垂直面である。

図５に示すように、上部電極３１は、側面３１Ｃが第２電極１４と対向するとともに、側面３１Ｃから離れるに従い、下面３１Ｂと第２電極１４間の隙間距離が大きくなるように傾斜して配置されている。ここで、下面３１Ｂと第２電極１４間の隙間距離のうち側面３１Ｃ側の隙間距離をｄ２とし、側面３１Ｃから長辺方向に離れた側の隙間距離をｄ３とした場合に、ｄ２＜ｄ３となるように形成されている。

次に、上記構造を有する半導体装置３０についてその製造工程を図７に基づき説明する。
先ず、基部１１上にはんだ箔を介して半導体素子１２を載せ、図示しない加熱装置によって所定の温度ではんだ箔を溶融させ、その後硬化させて半導体素子１２と基部１１との半田付けを行い、半導体素子１２の第１電極１３と基部１１とを第１半田層１６を介して接合させる。
図７（ａ）に示すように、この基部１１と半田接合された半導体素子１２上に上部電極３１を治具にて傾けて配置させる。詳述すると、第２電極１４上に上部電極３１の先端側の側面３１Ｃを制御用電極１８側に向け、側面３１Ｃから離れるに従い、下面３１Ｂと第２電極１４間の隙間距離が大きくなるように傾斜して配置する。このとき、側面３１Ｃと半導体素子１２の第２電極１４とが対向するように配置している。

次に、図７（ｂ）に示すように、図７（ａ）に示す状態にある半導体装置を加熱装置内に入れて、装置全体を加熱させながら上方に配置された半田供給装置２０から溶融半田を供給する。半田供給装置２０から供給された溶融半田は、上部電極３１の上面３１Ａ上に滴下されて半球状に貯まるが、上部電極３１の半田ぬれ性と傾斜して配置されていることにより、上部電極３１の上面３１Ａ上を側面３１Ｃ側に向けてぬれ広がる。

次に、図７（ｃ）に示すように、上面３１Ａ上を側面３１Ｃ側に向けて広がった溶融半田は、側面３１Ｃに到達し、側面３１Ｃを伝わってさらに下面３１Ｂ側に回り込む。ところで、側面３１Ｃは半導体素子１２の第２電極１４と対向しているので、側面３１Ｃを通過した溶融半田は下面３１Ｂ側にスムースに回り込み、下面３１Ｂ上を広がるように移動し、下面３１Ｂと第２電極１４間の隙間及び、側面３１Ｃと第２電極１４間に半田が充填される。

次に、図７（ｄ）に示すように、加熱装置から取り出し冷却させることにより半田が硬化し、第２電極１４と上部電極３１とが第２半田層３２を介して接合される。特に、側面３１Ｃと第２電極１４間には、半田が裾広がり状となったフィレットが形成される。

この第２の実施形態に係る半導体装置３０によれば以下の効果を奏する。
（７）上部電極３１は、側面３１Ｃが第２電極１４と対向するとともに、側面３１Ｃから離れるに従い、下面３１Ｂと第２電極１４間の隙間距離が大きくなるように傾斜して配置されている。よって、上部電極３１の上面３１Ａ上に滴下された溶融半田を側面３１Ｃを伝わらせて下面３１Ｂ側に回り込ませ、上部電極３１と第２電極１４間の隙間に半田を供給することが可能である。従って、上部電極３１と第２電極１４間の隙間を毛細管現象の発生する隙間に維持しなくても電極と被接合部材の被接合面間の隙間に半田を供給することができる。また、隙間を毛細管現象の発生する隙間とする必要が無いので、設計の自由度を向上させることが可能である。
（８）上部電極３１を半導体素子１２に対して傾斜して配置することにより、上部電極３１の側面３１Ｃを半導体素子１２の第２電極１４と対向して配置することができる。従って、側面３１Ｃを上面３１Ａ及び下面３１Ｂに対し傾斜した傾斜面に加工する必要が無く、製造工数を削減可能である。
（９）半田の供給は上部電極３１の上面３１Ａ上に溶融半田を滴下させるだけでよく、上部電極３１に半田注入用孔を設けたり、隙間の側方より半田を供給したりする必要が無く、半田の供給が簡単である。
（１０）側面３１Ｃと第２電極１４間には、半田が裾広がり状となったフィレットが形成されるので、上部電極３１と半導体素子１２間の接合強度を一層高めることが可能である。

なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能であり、例えば、次のように変更しても良い。
○ 第１及び第２の実施形態では、被接合部材を半導体素子１２として説明したが、半導体素子１２を介さずに基部１１上に上部電極１５を直接半田付けしても良い。この場合には、基部１１が被接合部材となる。
○ 第２の実施形態において、側面３１Ｄ、３１Ｅを第１の実施形態と同様の傾斜面で形成しても良い。この場合には、上部電極３１の上面３１Ａ上に滴下された溶融半田は、先端側の側面３１Ｃを伝わって下面３１Ｂ側に回り込むと共に、側面３１Ｄ、３１Ｅを伝わって下面３１Ｂ側に回り込ませることができ、下面３１Ｂと第２電極１４間の隙間への半田の充填を促進することが可能となる。
○ 第１の実施形態では、溶融半田は上部電極１５上に滴下されるとして説明したが、側面１５Ｃ〜１５Ｅより少し離れた半導体素子１２の第２電極１４上に半田を滴下させても良い。図８（ａ）に示すように、上部電極４２は、非接合面としての上面４２Ａと、上面４２Ａより一回り小さく形成され上面４２Ａと反対側の接合面としての下面４２Ｂと、上面４２Ａの側縁部および下面４２Ｂの側縁部から延びる先端側の側面４２Ｃ及び両側の側面とから構成されている。なお、図８（ａ）、（ｂ）においては、先端側の側面４２Ｃのみ図示しており両側面は図示していない。側面４２Ｃは、下面４２Ｂから上面４２Ａに向かうほど外側に広がるように形成された傾斜面である。上部電極４２は、半導体素子４１上に上部電極４２の下面４２Ｂと半導体素子４１の第２電極４１Ａとが平行となるように配置されている。側面４２Ｃは、半導体素子４１の第２電極４１Ａと対向している。図８（ａ）は、上部電極４２の側面４２Ｃと対向している半導体素子４１の第２電極４１Ａ上に直接半田を滴下させた状態を示しており、滴下された溶融半田は、表面張力と上部電極４２のぬれ性により半球状に広がり、その周面の一部が側面４２Ｃと当接している。次に、図８（ｂ）に示すように、溶融半田は、上部電極４２と半導体素子４１の第２電極４１Ａ間の隙間距離の大きいところから小さいところへ（すなわち、隙間距離の大きい側面４２Ｃと第２電極４１Ａ間より隙間距離の小さい下面４２Ｂと第２電極４１Ａ間へ）侵入し隙間内を広がるように移動する。このようにして、上部電極４２と半導体素子４１間に半田が充填される。
○ 第１及び第２の実施形態では、上部電極の下面と半導体素子の第２電極とは間隔を空けて配置されているとして説明したが、下面の一部が第２電極と接触していても構わない。例えば、第２の実施形態において、側面３１Ｄ、３１Ｅを第１の実施形態と同様の傾斜面で形成し、側面３１Ｃと下面３１Ｂ間のエッジ部が半導体素子１２の第２電極１４と当接するように配置（ｄ２＝０）すると共に、側面３１Ｃから離れるに従い、下面３１Ｂと第２電極１４間の隙間距離が大きくなるように傾斜して配置する。この場合には、上部電極３１の上面３１Ａ上に滴下された溶融半田は、側面３１Ｄ、３１Ｅを伝わって下面３１Ｂ側に回り込み、下面３１Ｂと第２電極１４間の隙間への半田の充填が可能となる。

１１ 基部
１２ 半導体素子
１３ 第１電極
１４ 第２電極
１５ 上部電極
１５Ａ 上面
１５Ｂ 下面
１５Ｃ 側面
１５Ｄ 側面
１５Ｅ 側面
１６ 第１半田層
１７ 第２半田層

Claims (4)

1. 平面状の被接合面を有する被接合部材と、少なくとも一部が該被接合部材と間隔を空けて配置される板状の電極と、前記被接合部材の被接合面と前記電極とを接合する半田とを備えた電子部品における電極の接続構造であって、
   前記電極の側面の少なくとも一部は前記被接合部材の被接合面と対向することを特徴とする電子部品における電極の接続構造。
2. 前記被接合部材の被接合面と対向する前記側面は、前記電極における前記被接合部材の被接合面と半田により接合されない非接合面に対して傾斜する傾斜面であることを特徴とする請求項１に記載の電子部品における電極の接続構造。
3. 前記電極は前記被接合部材に対して傾斜して配置したことを特徴とする請求項１に記載の電子部品における電極の接続構造。
4. 前記電極は、短冊状であり、被接合部材の被接合面と半田により接合される接合面と、前記接合面と反対側の非接合面と、前記接合面の側縁部および前記非接合面の側縁部から延びる側面とからなり、前記半田は、前記電極の非接合面より前記側面を伝わって供給されたものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電子部品における電極の接続構造。

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