JP2012169310A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】高熱伝導絶縁性基板上にある電極の接続部分の信頼性が高いパワーモジュールを提供すること。
【解決手段】複数の基板電極２を有する絶縁性高熱伝導基板１と、絶縁性高熱伝導基板１のいずれかの基板電極２ａに配置される半導体素子３と、絶縁性高熱伝導基板１の他の基板電極２ｂと半導体素子３の半導体電極４との間を接続する金属接続体７とを備え、金属接続体７は、２層以上の金属層を有しており、絶縁性高熱伝導基板１に近い側の下層金属層７２は、絶縁性高熱伝導基板１から遠い側の上層金属層７１よりも線膨張係数が小さい、半導体装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に関する。
パワーデバイスにおいて大電流化、高効率化が要求されてきており、低抵抗で半導体素子電極と絶縁性高熱伝導基板電極を電気的に接続する必要がある。そのためワイヤーを用いて接続するワイヤーボンディング法にかわり、金属の板を用いて接続する方法が開発されてきている（例えば、特許文献１参照。）。
金属板を用いて接続するパワーモジュールについて、図１２（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。図１２（ａ）は、従来のパワーモジュールの斜視構成図であり、図１２（ｂ）は、従来のパワーモジュールの正面構成図であり、図１２（ｃ）は、従来のパワーモジュールの平面構成図である。図１２（ａ）〜（ｃ）に示すパワーモジュールは、絶縁性高熱伝導基板１と、その表面に形成された基板電極２を備え、基板電極２ａ上には半導体素子３が実装されている。これら半導体素子３と基板電極２ａは、例えば、はんだ、導電性ペースト、絶縁性樹脂などで固定されている。絶縁性高熱伝導基板１としては、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素からなるものが用いられる。半導体素子３は上面に半導体電極４を備え、半導体電極４と基板電極２ｂは金属板５を介して電気的に接続される。金属板５は、銅から形成されている。金属板５と半導体電極４の間、及び金属板５と基板電極２ｂの間は、それぞれ接続部６ａ、６ｂにおいて接続部材１５ａ、１５ｂによって電気的に接続されている。この接続部材１５ａ、１５ｂとしては、例えば、はんだや導電性ペーストが用いられる。
このように、ワイヤーに比べ、断面積の大きい金属板５を用いて電流を流すため、抵抗を低くすることができる。尚、半導体素子３、や金属板５などは、一般的に保護や絶縁のために、エポキシ樹脂、あるいはシリコーン樹脂などからなるモールド樹脂により覆われている。
米国特許第６０４０６２６号明細書
このような金属板５は、例えば大電流が流れることや、半導体動作に伴う発熱などにより２５℃から１５０℃まで温度上昇した状況になる。このような温度環境下が繰り返されると、絶縁性高熱伝導基板１と金属板５との熱膨張係数の差により接続部６ａ、６ｂに繰り返し応力が発生する。
これにより、接続部６ａ、６ｂの接続部材１５ａ、１５ｂによる接続部分が破壊され接続不良が発生するという課題があった。また、例えば一方の電極が半導体素子３上に設けられており、半導体素子３の材料が窒化ガリウム（ＧａＮ）の薄膜からなる場合、ＧａＮは脆弱なため、応力による負荷によって半導体電極４下のＧａＮ層が破壊される問題が生じる場合もあった。
本発明は、上記従来の半導体装置の課題を考慮し、応力を低減することが可能な半導体装置を提供することを目的とする。
上記目的は達成するために、第１の発明は、
複数の電極を有する絶縁性基板と、
前記絶縁性基板のいずれかの電極に配置された半導体素子と、
前記半導体素子の電極と、前記絶縁性基板の他の電極との間、又は前記半導体素子の電極と、前記絶縁性基板の他の電極に配置された他の半導体素子の電極との間を接続する金属接続体とを備え、
前記金属接続体は、２層以上の金属層を有しており、
前記絶縁性基板に近い側の金属層は、前記絶縁性基板から遠い側の金属層よりも線膨張係数が小さい、半導体装置である。
第２の本発明は、
前記金属接続体は、２層の金属層であり、
前記絶縁性基板に近い側の金属層は、ニッケル層であり、
前記絶縁性基板から遠い側の金属層は、銅層である、第１の本発明の半導体装置である。
第３の本発明は、
前記金属接続体は、２層の金属層であり、
前記絶縁性基板に近い側の金属層は、銅層であり、
前記絶縁性基板から遠い側の金属層は、アルミニウム層である、第１の本発明の半導体装置である。
第４の本発明は、
前記絶縁性基板の線膨張率は、３×１０−６〜７×１０−６/℃である、第１〜３のいずれかの本発明の半導体装置である。
第５の本発明は、
前記ニッケル層の厚さは、前記金属接続体の全体の厚さの１％以上、４７％以下である、第２の本発明の半導体装置である。
第６の本発明は、
前記ニッケル層の厚さは、前記金属接続体の全体の厚さの２１％以上、３６％以下である、第５の本発明の半導体装置である。
第７の本発明は、
前記銅層の厚さは、前記金属接続体の全体の厚さの３０％以上、８５％以下である、第３の本発明の半導体装置である。
第８の本発明は、
前記銅層の厚さは、前記金属接続体の全体の厚さの４１％以上、６７％以下である、第７の本発明の半導体装置である。
本発明によれば、応力を低減することが可能な半導体装置を提供することができる。
（ａ）本発明にかかる実施の形態１におけるパワーモジュールの斜視構成図、（ｂ）本発明にかかる実施の形態１、２におけるパワーモジュールの正面構成図、（ｃ）本発明にかかる実施の形態１、２におけるパワーモジュールの平面構成図 本発明にかかる実施の形態１における金属接続体の正面構成図 （ａ）絶縁性高熱伝動基板の長手方向への膨張状態を示す正面構成図、（ｂ）従来の金属板の長手方向への膨張状態を示す正面構成図、（ｃ）本発明にかかる実施の形態１、２の金属接続体の長手方向への膨張状態を示す正面構成図 （ａ）、（ｂ） 本発明にかかる実施の形態１、２における応力の計算方法を説明するための図 本発明にかかる実施の形態１における下層金属層の厚さの割合に対する応力を示す図 （ａ）本発明にかかる実施の形態２におけるパワーモジュールの斜視構成図、（ｂ）本発明にかかる実施の形態２における金属接続体の正面構成図 本発明にかかる実施の形態２における下層金属層の厚さの割合に対する応力を示す図 本発明にかかる実施の形態の変形例のパワーモジュールの正面構成図 （ａ）本発明にかかる実施の形態の変形例のパワーモジュールの正面構成図、（ｂ）本発明にかかる実施の形態の変形例の金属接続体の正面構成図 （ａ）本発明にかかる実施の形態の変形例のパワーモジュールの正面構成図、（ｂ）本発明にかかる実施の形態の変形例の金属接続体の正面構成図 本発明にかかる実施の形態の変形例の金属接続体の正面構成図 （ａ）従来のパワーモジュールを説明する斜視構成図、（ｂ）従来のパワーモジュールを説明する正面構成図、（ｃ）従来のパワーモジュールを説明する平面構成図
以下、図面を参照しながら、本発明の半導体装置の一実施の形態であるパワーモジュールについて説明する。以下の図面においては、説明の簡潔化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。
（実施の形態１）
以下、本発明にかかる実施の形態１について、主に図１、図２、図３、及び図４を参照しながら説明する。図１（ａ）は、本実施の形態１におけるパワーモジュールの斜視構成図であり、図１（ｂ）は、本実施の形態１におけるパワーモジュールの正面構成図であり、図１（ｃ）は本実施の形態１におけるパワーモジュールの平面構成図である。
はじめに、図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を用いて本実施の形態１のパワーモジュールの構成の概略について説明する。
図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、本実施の形態１のパワーモジュールには、絶縁性高熱伝導基板１と、絶縁性高熱伝導基板１の上に配置された複数の基板電極２が設けられている。この複数の基板電極２は、基板電極２ａと、基板電極２ｂを有しており、基板電極２ａ上に半導体素子３が実装されている。
半導体素子３の上面には半導体電極４が配置されており、半導体電極４と基板電極２ｂを電気的に接続する金属接続体７が設けられている。そして、半導体電極４と金属接続体７は、接続部６ａにおいて接続部材１５ａによって電気的に接続されており、金属接続体７と基板電極２ｂは、接続部６ｂにおいて接続部材１５ｂによって電気的に接続されている。尚、図示していないが、半導体素子３、や金属接続体７などは、一般的に保護や絶縁のために、エポキシ樹脂、あるいはシリコーン樹脂などからなる樹脂により覆われている。尚、本発明の絶縁性基板の一例は、本実施の形態１の絶縁性高熱伝動基板１に対応し、本発明の複数の電極の一例は、本実施の形態１の複数の基板電極２（基板電極２ａ、２ｂ）に対応する。又、本発明の半導体素子の電極の一例は、本実施の形態１の半導体電極４に対応する。
次に、本実施の形態１のパワーモジュールの各構成について詳細に説明する。
（絶縁性高熱伝導基板１の説明）
絶縁性高熱伝導基板１は、基板電極２を保持する役目と、半導体素子３の発熱を効率よく放熱する役目と、電気的絶縁を保つ役目がある。絶縁性高熱伝導基板１としては、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）などからなるセラミックを用いることができ、絶縁性高熱伝導基板１の線膨張係数は、３×１０−６〜７×１０−６/℃の範囲となる。
（基板電極２の説明）
基板電極２は絶縁性高熱伝導基板１の上に設置されている。基板電極２は、例えば電流を流す、所定の電圧を保つなど電気的な役割を担う。基板電極２の材質としては、銅にニッケルめっきをしたものが一般的である。ニッケルめっき上にさらに銀めっきあるいは金めっきが施されたものが用いられても良い。
（半導体素子３の説明）
半導体素子３は、素子面を上面にした形で基板電極２ａ上に実装されている。半導体素子３はパワー半導体として、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、バイポーラトランジスタ、ダイオードを、代表的に挙げることが出来る。近年はより効率がよいＳｉＣ（シリコンカーバイド）、ＧａＮ（窒化ガリウム）材料を用いたパワーデバイスが開発されている。また構造としては縦型、横型に分類することができる。
代表的な例として、本実施の形態では、半導体素子３が縦型ＩＧＢＴの場合で説明する。半導体素子３の裏面コレクタ電極は基板電極２ａと電気的に接続している。例えば、はんだ、導電性ペースト、などで電気的に接続され、且つ固定されている。
半導体素子３の上面にはエミッタ用の半導体電極４とゲート用の電極（図示せず）がある。このエミッタ用の半導体電極４と基板電極２ｂは金属接続体７を介して電気的に接続されている。
（金属接続体７の説明）
図２は、本実施の形態１の金属接続体７の正面構成図である。図２に示すように、金属接続体７は、上層金属層７１と下層金属層７２からなる２層構造である。そして、金属接続体７には、基板電極２ｂと接続される端部分７ｂよりに段差７ｄが形成されている。この段差７ｄは、基板電極２ａと接続される端部分７ａに比べて、基板電極２ｂが接続される端部分７ｂの方が、絶縁性高熱伝動基板１に近くなるように形成されている。
下層金属層７２の線膨張係数は、上層金属層７１の線膨張係数より小さい構成となっている。又、本発明の絶縁性基板に近い側の金属層の一例は、本実施の形態１の下層金属層７２に対応し、本発明の絶縁性基板から遠い側の金属層の一例は、本実施の形態１の上層金属層７１に対応する。
本実施の形態１の金属接続体７では、下層金属層７２の材料としてニッケルが用いられており、上層金属層７１の材料として銅が用いられている。尚、ニッケルの線膨張係数は、１２．８（×１０―６／℃）であり、銅の線膨張係数は、１６．８（×１０―６／℃）である。
さらに、ニッケル層である下層金属層７２の厚さｔ２は、金属接続体７の厚さｔの１％〜４７％に設定されており、好ましくは、２１％以上、３６％以下であり、更に好ましくは３０％に設定されている。
（金属接続体７と半導体電極４の接続の説明）
再び図１を用いて説明する。金属接続体７と半導体電極４の電気的な接続は接続部材１５ａを介して行われており、この接続部材１５ａとしては、例えば、はんだ、導電性ペースト等を用いることが出来る。尚、超音波と加圧を用いる超音波法などで金属接続体７を半導体電極４に直接接続する方法もあるが、この場合、半導体電極４および半導体電極４下の半導体素子３に超音波や加圧によりダメージを与える場合がある。そのため、金属接続体７と半導体電極４の接続部６ａには、接続部材１５ａとして、はんだや、導電性ペーストを用いて接続する方が、接続時にこのようなダメージを半導体素子３に与えることがないため、より好ましい。
尚、はんだを用いて接続する利点としては、抵抗を低くできることである。また、導電性ペーストを用いて接続する利点は、導電性ペーストは弾性率が低いため、接続部６ａに発生する応力を低減することができ、より高信頼性のパワーモジュールを提供できることである。
（金属接続体７と基板電極２ｂの接続の説明）
金属接続体７と基板電極２ｂの電気的な接続は接続部材１５ｂを介して行われている。この接続部材１５ｂとしては、はんだや、導電性ペースト等を用いる方法や、超音波と加圧を用いる超音波法などで金属接続体７を基板電極２ｂに直接接続する方法もある。
尚、はんだ、あるいは、超音波法を用いて接続する利点としては、抵抗を低くできることである。また、導電性ペーストを用いて接続する利点は、導電性ペーストは弾性率が低いため、接続部６ｂに発生する応力を低減することができ、より高信頼性のパワーモジュールを提供できることである。
（応力を低減するメカニズムの説明）
次に、本実施の形態１の金属接続体７が、温度上昇により発生する応力を低減するメカニズムについて図３（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。
図３（ａ）は、絶縁性高熱伝導基板１の正面構成図であり、図３（ｂ）は従来の金属板５の正面構成図であり、図３（ｃ）は本実施の形態１の金属接続体７の正面構成図である。この絶縁性高熱伝導基板１としては、一例として窒化アルミニウムが用いられる。
従来の金属板５としては、銅によって形成されたものを用いて、半導体素子３の半導体電極４と基板電極２ｂとを電気的に接続しており、金属板５としては、例えば長さＬが４０ｍｍ、幅４ｍｍ、厚さが０．２ｍｍのものが用いられる。
本実施の形態１の金属接続体７としては、長さＬが４０ｍｍ、幅４ｍｍとし、厚さは従来と同等の導電性をもたすように、金属層の厚さを変化させる。これは、従来の金属板５と同量の電流量を流せるようにするためである。
このようなモデルにおいて、従来の金属板５と絶縁性高熱伝動基板１の間の線膨張係数の差によって、接続部６ａ及び接続部６ｂに発生する熱応力は、
（金属板５の弾性率） × （金属板５と絶縁性高熱伝導基板１との熱膨張の差） × （上昇温度）に比例する。
同様に、本実施の形態１の金属接続体７と絶縁性高熱伝動基板１の間の線膨張係数の差によって、接続部６ａ及び接続部６ｂに発生する熱応力は、
（金属接続体７の弾性率） × （金属接続体７と絶縁性高熱伝導基板１との熱膨張の差） × （上昇温度）に比例する。
図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）において、熱膨張した状態が点線で示されている。すなわち、図３（ａ）では、絶縁性高熱伝動基板１が長手方向にΔＬａ分熱膨張した状態が点線で示されており、図３（ｂ）では、従来の金属板５が長手方向にΔＬｂ分熱膨張した状態が点線で示されており、図３（ｃ）では、従来の金属板５が長手方向にΔＬｃ分熱膨張した状態が点線で示されている。
図３（ａ）と図３（ｂ）に示すように、絶縁性高熱伝動基板１と金属板５では、金属板５の方が、線膨張係数が大きいため、金属板５の方が膨張する程度が大きくなる。
一方、図３（ｃ）に示すように、本実施の形態１の金属接続体７は、下層金属層７２の線膨張係数を、上層金属層７１の線膨張係数より小さい構成としているため、温度が上昇すると、絶縁性高熱伝動基板１と反対側に向けて凸状に反ることになる。このため、同じ長さの金属板５と比較して、膨張量ΔＬｃを抑制し、絶縁性高熱伝動基板１との膨張量の差を低減し、発生する応力を従来に比べ小さくすることが出来る。
図５は、発生する応力を比較した計算結果を示す図である。図５において、縦軸は発生する応力を、従来比で基準化したものであり、実施の形態１／従来の比で表している。横軸は、実施の形態１においての下層金属層７２の厚さの割合（ニッケル層である下層金属層７２の厚さ／金属接続体７の全体の厚さ）を表している。
温度が１２５℃（下記ΔＴ）上昇する状況を想定している。
下層金属層７２の厚さが金属接続体７の厚さの１％〜４７％の時、発生する応力は従来に比べて小さくなるため、接続部材１５ａ、１５ｂによる接続部６ａ、６ｂの信頼性は従来に比べ向上する。具体的には金属接続体７の厚さは０．２０２ｍｍ〜０．３０９ｍｍの範囲で、下層金属層７２の厚さは０．０２ｍｍ〜０．１４５ｍｍとなる。
下層金属層７２の厚さが金属接続体７の厚さの９％〜４５％の時、発生する応力は従来に比べて５％小さくなり、接続部６の信頼性は従来に比べより向上する。具体的には金属接続体７の厚さは０．２１４ｍｍ〜０．３０１ｍｍの範囲で、下層金属層７２の厚さは０．０１９ｍｍ〜０．１３５ｍｍとなる。
また、下層金属層７２の厚さが金属接続体７の厚さの２１％〜３６％の時、発生する応力は従来に比べて２０％小さくなり、信頼性は従来に比べより向上する。具体的には金属接続体７の厚さは、０．２３８ｍｍ〜０．２７５ｍｍの範囲で、下層金属層７２の厚さは０．０５ｍｍ〜０．１ｍｍとなる。
更に、最良の形態は、下層金属層７２の厚さが金属接続体７の厚さの３０％の時、発生する応力は最も小さく、接続部の信頼性は最も向上する。具体的には金属接続体７の厚さは０．２６ｍｍで下層金属層７２の厚さは０．０８ｍｍとなる。発生する応力は従来に比べて約２５％小さくなる。これにより従来よりも上昇温度が高温化していく高効率半導体（ＧａＮ、ＳｉＣ）にも対応できるようになる。
（計算方法）
次に、発生する応力の計算方法について説明する。
基準となる従来の方法で発生する応力σｂ、本発明で発生する応力σｃは次の（数１）の（１）式及び（２）式のように計算できる。
Figure 2012169310
次に、上記式のＥｘ（金属接続体の弾性率）を求める方法について説明する。
はじめに、金属接続体７の厚さｔが次のように求められる。
以下の（数２）の（１）式に任意のｔ２を代入すると、ｔｂ（従来の銅金属板の厚さ）とｃ（従来の金属板の導電率）は予め決まっているため、ｔ１、ｔ２が定められる。そして、求めたｔ１、ｔ２を（２）式に代入することによって求められる。
Figure 2012169310
金属接続体７の弾性率Ｅｘは次式で求める。
Figure 2012169310
次に、上記（数１）の、絶縁性高熱伝導基板１の熱膨張量ΔＬａ、金属板５の熱膨張量ΔＬｂ、金属接続体７の熱膨張量ΔＬｃが求められる。
温度上昇した時の、絶縁性高熱伝導基板１と金属板５の膨張量は次式（１）、（２）になる。
Figure 2012169310
そして、金属接続体７の熱膨張量ΔＬｃは次の（数５）のように求められる。
図４（ａ）は、図３（ｃ）と同じ状態を示す金属接続体７の正面構成図であり、図４（ｂ）は、金属接続体７を２枚の平板に簡略化して状態を示す正面構成図である。図４（ｂ）に示すように、金属接続体７を２枚の平板に簡略化してバイメタルモデルとして計算する。
以下の（数６）、（数７）の式で金属接続体７の曲率半径ρを求め、（数８）〜（数１０）の式で金属接続体７のなす角θを求め、求められた曲率半径ρと角θを（数５）の式に代入して、金属接続体７の熱膨張量ΔＬｃが求められる。
Figure 2012169310
上記曲率半径ρは、以下の（数６）のように示される。
Figure 2012169310
上記上層金属層の断面積Ａ１、下層金属層の断面積Ａ２、上層金属層の断面２次モーメントＩ１、及び下層金属層の断面２次モーメントＩ２は、以下の（数７）のように示される。
Figure 2012169310
又、上記曲率半径ρと、上記θの関係は、以下の（数８）のように示される。
Figure 2012169310
金属接続体の弧の長さＺは、以下の（数９）のように示される。
Figure 2012169310
金属接続体の線膨張係数αｘは、以下の（数１０）のように示される。
Figure 2012169310
（実施の形態２）
次に、本発明にかかる実施の形態２におけるパワーモジュールについて説明する。本実施の形態２のパワーモジュールの基本的な構成は実施の形態１と同じであるが、金属接続体の構成が異なっている。そのため、実施の形態１との相違点である金属接続体を中心に説明する。
図６（ａ）は、本発明にかかる実施の形態２におけるパワーモジュールの斜視構成図である。図６（ａ）に示すように、本実施の形態２におけるパワーモジュールでは、実施の形態１と異なり、半導体電極４と基板電極２ｂを電気的に接続する金属接続体７０が設けられている。
（金属接続体７０の説明）
図６（ｂ）は、金属接続体７０の正面構成図である。図６（ｂ）に示すように、金属接続体７０は、上層金属層７１０と下層金属層７２０からなる２層構造である。そして、金属接続体７０には、基板電極２ｂと接続される端部分７０ｂよりに段差７０ｄが形成されている。この段差７０ｄは、基板電極２ａと接続される端部分７０ａに比べて、基板電極２ｂが接続される端部分７０ｂの方が、絶縁性高熱伝動基板１に近くなるように形成されている。
又、下層金属層７２０の線膨張係数が、上層金属層７１０の線膨張係数より小さくなるように構成されている。本発明の絶縁性基板に近い側の金属層の一例は、本実施の形態２の下層金属層７２０に対応し、本発明の絶縁性基板から遠い側の金属層の一例は、本実施の形態２の上層金属層７１０に対応する。
本実施の形態２では、下層金属層７２０の材料は銅であり、上層金属層７１０の材料はアルミニウムである。尚、銅の線膨張係数は、１６．８（×１０―６／℃）であり、アルミニウムの線膨張係数は、２３．６（×１０―６／℃）である。
そして、下層金属層７２０の厚さｔ２は、金属接続体７０の全体の厚さｔの３０％〜８５％であり、好ましくは５０％に設定される。
図７は、実施の形態２の金属接続体７０において発生する応力を比較した計算結果を示す図である。図７において、縦軸は発生する応力を、従来比で基準化したものであり、実施の形態２／従来の比で表している。横軸は、実施の形態２においての下層金属層７２０の厚さの割合を表している。（下層金属層７２０の厚さ／金属接続体７０の全体の厚さ）。尚、計算方法は、実施の形態１で述べた方法を用い、各値を代入することで求めた。
実施の形態２では、絶縁性高熱伝導基板１として、窒化アルミニウムを用いる。
従来では、金属板５として銅によって形成されたものを用いて、金属板５としては、長さＬが２５ｍｍ、幅４ｍｍ、厚さが０．２ｍｍのものを用いる。
実施の形態２の方法では、金属接続体７０として長さＬが２５ｍｍ、幅４ｍｍ、厚さは、従来と同等の導電性をもたすように、各金属層の厚さを変化させる。温度が１２５℃（上記ΔＴ）上昇する状況を想定している。
図７に示すように、銅層である下層金属層７２０の厚さが金属接続体７０の厚さの３０％〜８５％の時発生する応力は従来に比べて小さくなり、信頼性は従来に比べ向上する。具体的には金属接続体７０の厚さは０．２１１ｍｍ〜０．２７ｍｍの範囲で下層金属層７２０の厚さは０．０８ｍｍ〜０．１８ｍｍとなる。
銅層である下層金属層７２０の厚さが金属接続体７０の厚さの３４％〜７５％の時発生する応力は従来に比べて５％小さくなり、接続部６ａ、６ｂの信頼性は従来に比べより向上する。具体的には金属接続体７０の厚さは０．２２０ｍｍ〜０．２６４ｍｍの範囲で、下層金属層７２０の厚さは０．０９ｍｍ〜０．１６５ｍｍとなる。
また、下層金属層７２０の厚さが金属接続体７０の厚さの４１％〜６７％の時、発生する応力は従来に比べて１０％小さくなり、信頼性は従来に比べより向上する。具体的には金属接続体７０の厚さは０．２２９ｍｍ〜０．２５５ｍｍの範囲で、下層金属層７２０の厚さは０．１０５ｍｍ〜０．１５ｍｍとなる。
また最良の形態は、下層金属層７２０の厚さが金属接続体７０の厚さの５０％の時、発生する応力は最も小さく、信頼性は最も向上する。具体的には金属接続体７０の厚さが０．２４５ｍｍで、下層金属層７２０の厚さは０．１２２ｍｍとなる。発生する応力は従来に比べて１４％小さくなり、高温動作可能で高効率なＧａＮ、ＳｉＣ半導体により対応できるようになる。
以上のように、上記実施の形態１、２の金属接続体では、従来よりも、接続部６ａ、６ｂに生じる応力を低減することが出来、接続部の信頼性を向上することが出来る。
尚、上記実施の形態１では、接続部６ｂ側の金属接続体７の端部分７ｂよりに段差７ｄが形成されていたが、金属接続体７の中央部分に段差が形成されていてもよい。図８は、中央部分に段差７ｄ´が形成された金属接続体７´を用いたパワーモジュールの正面構成図である。このように、半導体素子３に干渉しなければ、金属接続体７のどの位置に段差が形成されていても良い。
又、１箇所だけでなく、２箇所に段差が形成された金属接続体が用いられてもよい。図９（ａ）は、このような２箇所に段差が形成された金属接続体１７を用いたパワーモジュールの正面構成図であり、図９（ｂ）は、金属接続体１７のみの正面構成図である。図９（ａ）に示すパワーモジュールは、実施の形態１と基本的な構成は同じであるが、金属接続体の構成が異なっている。図９（ａ）、（ｂ）に示すように、金属接続体１７は、上層金属層１７１と下層金属層１７２とを有している。この上層金属層１７１及び下層金属層１７２としては、実施の形態１、２で説明した金属等を適用出来る。又、金属接続体１７には、接続部６ｂ側の端部分１７ｂよりに段差１７ｄ１が形成されており、更に、接続部６ａ側の端部分１７ａよりにも段差１７ｄ２が形成されている。尚、端部分１７ｂの方が、端部分１７ａよりも絶縁性高熱伝動基板１に近くなるように、段差１７ｄ１、１７ｄ２が形成されている。
このような構成の金属接続体１７を用いることより、半導体素子３側の接続部材１５ａの量の制御が行いやすくなる。
尚、半導体電極４の表面と基板電極２ｂの表面が実質上同一面である場合には、金属接続体７に段差を設けなくても良い。
又、上記実施の形態１、２における金属接続体は、半導体素子３の半導体電極４と、絶縁性高熱伝動基板１の基板電極２ｂの間を電気的に接続するために用いられていたが、半導体素子の電極同士を電気的に接続するために用いられても良い。
図１０（ａ）は、半導体素子の電極同士が接続されたパワーモジュールの正面構成図である。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に用いられている金属接続体１７０の正面構成図である。図１０（ａ）に示すパワーモジュールは、実施の形態１と基本的な構成は同じであるが、図１０（ａ）に示すように、基板電極２ｂの上にも半導体素子３０が配置されている。そして、この半導体素子３０の半導体電極４０と、半導体素子３の半導体電極４とを電気的に接続する金属接続体１７０が設けられている。又、半導体電極４０と金属接続体１７０の間は、接続部６０ｂにおいて、接続部材１５０ａによって固定されている。この接続部材１５０ａは、接続部材１５ａと同様にはんだ、導電性ペーストなどを用いることが出来る。
又、金属接続体１７０は、上層金属層１７１０と下層金属層１７２０とを有している。この上層金属層１７１０及び下層金属層１７２０としては、実施の形態１、２で説明した金属等を適用出来る。又、金属接続体１７０には、接続部６０ｂ側の端部分１７０ｂよりに段差１７０ｄ１が形成されており、更に、接続部６ａ側の端部分１７０ａよりにも段差１７０ｄ２が形成されている。尚、本発明の他の半導体素子の一例は、図１０（ａ）の半導体素子３０に対応する。
このように、半導体素子の電極同士を接続する際にも、本発明の金属接続体を適用することが出来、応力の低減を図ることが可能となる。尚、金属接続体１７０では段差が２箇所に設けられているが、半導体素子３、３０の高さによっては、段差が１箇所であってもよいし、段差が設けられていなくても良い。
又、上記実施の形態１の金属接続体７は上層金属層７１と下層金属層７２を有する２層構造であり、上層金属層７１として銅層、下層金属層７２としてニッケル層が用いられ、実施の形態２の金属接続体７０は上層金属層７１０と下層金属層７２０を有する２層構造であり、上層金属層７１０としてアルミニウム層、下層金属層７２０として銅層が用いられていたが、これらの金属に限らなくても良く、下層金属層７２、７２０の方が、上層金属層７１、７１０よりも線膨張係数が小さければよい。
又、上記実施の形態１、２では、金属接続体７、７０は２層構造であったが、２層よりも多くてもよい。図１１は、３層構造である金属接続体７００の正面構成図である。図１１に示す金属接続体７００は、絶縁性高熱伝動基板１から最も遠い側に配置される上層金属層７１００と、上層金属層７１００の絶縁性高熱伝動基板１側に配置される中層金属層７２００と、中層金属層の絶縁性高熱伝動基板１側に配置される下層金属層７３００とを有している。アルミニウム、銅、ニッケルの順に線膨張係数が小さくなっているため、上層金属層７１００としてアルミニウム層を用い、中層金属層７２００として銅層を用い、下層金属層７３００としてニッケル層を用いることが出来る。このように、絶縁性高熱伝動基板１に近い金属層の方が、絶縁性高熱伝動基板１から遠い金属層よりも線膨張係数が小さければ金属接続体が、絶縁性高熱伝動基板１と反対側に凸形状に湾曲するため、長手方向における熱膨張量が小さくなる。
又、所望の導電率にするためには、各金属層をそれぞれ所定の厚みになるように形成する必要があるが、各金属層の厚み設計の自由度を増すために、より導電率の高い材料（例えば、銀等）を金属接続体７の上面又は下面に塗布する等して、全体の導電率を所望の導電率にするようにしてもよい。
又、製造誤差等により、金属接続体７、１７、７０、１７０、７００が、絶縁性高熱伝動基板１側に向けて凸状に湾曲している場合、温度が上昇するに伴い一旦、凸形状が緩和する方向、つまり長さが長くなる方向に変形していく。よって、温度上昇の範囲によっては、発生する応力が従来に比べ増大する可能性がでてくる。
そのため、金属接続体７、１７、７０、１７０、７００を、予め、絶縁性高熱伝動基板１の反対側に向かって若干量凸状に湾曲した形状に製造してもよい。
上述したように、本実施の形態の金属接続体は、低抵抗で高信頼性な接続を可能とし、パワーモジュール等の接続用途に適用できる。
尚、上記実施の形態１、２では、本発明の半導体装置の一例としてパワーモジュールについて説明したが、通常の半導体装置について適用しても良い。
本発明の半導体装置は、接続部の信頼性が高く、応力を低減することが可能な効果を有し、パワーモジュール等として有用である。
１ 絶縁性高熱伝導基板
２ 基板電極
３、３０ 半導体素子
４、４０ 半導体電極
５ 金属板
６ａ、６ｂ、６０ｂ 接続部
７、１７、７０、１７０、７００ 金属接続体
７１、１７１、７１０、１７１０、７１００ 上層金属層
７２、１７２、７２０、１７２０、７２００ 下層金属層
７３００ 中層金属層
１５ａ、１５ｂ、１５０ａ 接続部材
ｔ 金層接続体の厚さ
ｔ１ 上層金属層の厚さ
ｔ２ 下層金属層の厚さ
Ｌ 基準長
ΔＬａ 絶縁性高熱伝導基板の膨張量
ΔＬｂ 金属板の膨張量
ΔＬｃ 金属接続体の膨張量

Claims (8)

  1. 複数の電極を有する絶縁性基板と、
    前記絶縁性基板のいずれかの電極に配置された半導体素子と、
    前記半導体素子の電極と、前記絶縁性基板の他の電極との間、又は前記半導体素子の電極と、前記絶縁性基板の他の電極に配置された他の半導体素子の電極との間を接続する金属接続体とを備え、
    前記金属接続体は、２層以上の金属層を有しており、
    前記絶縁性基板に近い側の金属層は、前記絶縁性基板から遠い側の金属層よりも線膨張係数が小さい、半導体装置。
  2. 前記金属接続体は、２層の金属層であり、
    前記絶縁性基板に近い側の金属層は、ニッケル層であり、
    前記絶縁性基板から遠い側の金属層は、銅層である、請求項１記載の半導体装置。
  3. 前記金属接続体は、２層の金属層であり、
    前記絶縁性基板に近い側の金属層は、銅層であり、
    前記絶縁性基板から遠い側の金属層は、アルミニウム層である、請求項１記載の半導体装置。
  4. 前記絶縁性基板の線膨張率は、３×１０−６〜７×１０−６/℃である、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置。
  5. 前記ニッケル層の厚さは、前記金属接続体の全体の厚さの１％以上、４７％以下である、請求項２記載の半導体装置。
  6. 前記ニッケル層の厚さは、前記金属接続体の全体の厚さの２１％以上、３６％以下である、請求項５記載の半導体装置。
  7. 前記銅層の厚さは、前記金属接続体の全体の厚さの３０％以上、８５％以下である、請求項３記載の半導体装置。
  8. 前記銅層の厚さは、前記金属接続体の全体の厚さの４１％以上、６７％以下である、請求項７記載の半導体装置。
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