JP2016134547A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、絶縁基板の表面に形成された回路パターンと電極端子とが超音波接合される半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device in which a circuit pattern formed on a surface of an insulating substrate and an electrode terminal are ultrasonically bonded.
従来の半導体装置は、表面に複数の配線パターンが形成された基板と、基板に搭載されて複数の配線パターンのうちの一部の配線パターンに電気的に接続された半導体素子と、複数の配線パターンのうちの他の配線パターンに電気的に接続されたリードを有する端子部と、を備え、端子部のリードは、銅を主成分とする部材とアルミニウムを主成分とする部材とを積層して構成され、他の配線パターンは、銅で形成され、リードを構成するアルミニウムを主成分とする部材が、他の配線パターンに超音波接合により電気的に接続されていた(例えば、特許文献1参照)。 A conventional semiconductor device includes a substrate having a plurality of wiring patterns formed on a surface thereof, a semiconductor element mounted on the substrate and electrically connected to a part of the plurality of wiring patterns, and a plurality of wirings A terminal portion having a lead electrically connected to another wiring pattern of the pattern, and the lead of the terminal portion is formed by laminating a member mainly composed of copper and a member mainly composed of aluminum. The other wiring pattern is made of copper, and a member mainly composed of aluminum constituting the lead is electrically connected to the other wiring pattern by ultrasonic bonding (for example, Patent Document 1). reference).
従来の半導体装置では、異種金属同士を超音波接合しているので、同じ金属同士を超音波接合する場合に比べて、接合強度が低下する。さらに、アルミニウムを主成分とする部材は銅を主成分とする部材より線膨張係数が大きいので、銅を主成分とする部材とアルミニウムを主成分とする部材とを積層して構成されたリードの線膨張係数は、銅で形成された他の配線パターンより大きくなる。そこで、使用環境などによって半導体装置自体が繰り返し温度変化すると、線膨張係数差に起因する熱応力が超音波接合部に繰り返し作用する。そのため、超音波接合部の端部を起点に亀裂が発生し、その亀裂が進展して、超音波接合部付近が破壊するという恐れがあった。 In the conventional semiconductor device, since different metals are ultrasonically bonded to each other, the bonding strength is reduced as compared with the case where the same metals are ultrasonically bonded. Furthermore, since a member whose main component is aluminum has a larger linear expansion coefficient than a member whose main component is copper, a lead formed by laminating a member whose main component is copper and a member whose main component is aluminum is laminated. The linear expansion coefficient is larger than that of other wiring patterns formed of copper. Therefore, when the temperature of the semiconductor device itself is repeatedly changed depending on the use environment or the like, the thermal stress caused by the difference in linear expansion coefficient repeatedly acts on the ultrasonic bonding portion. For this reason, there is a risk that a crack is generated starting from the end of the ultrasonic bonding portion, the crack develops, and the vicinity of the ultrasonic bonding portion is broken.
この発明は、上記課題を解決するためになされたもので、回路パターンと絶縁基板の複合体と、電極端子の接合部と、の線膨張係数差を小さくして、線膨張係数差に起因する超音波接合部付近での破壊の発生を抑制できる半導体装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and is caused by the difference in the linear expansion coefficient between the circuit pattern / insulating substrate composite and the electrode terminal joint, which is reduced. An object of the present invention is to obtain a semiconductor device capable of suppressing the occurrence of breakage in the vicinity of an ultrasonic bonded portion.
この発明に係る半導体装置は、表面に回路パターンが形成された絶縁基板と、上記回路パターンに超音波接合された接合部を有する電極端子と、を備え、上記回路パターンは、CuまたはCu合金で作製され、上記接合部が、上記回路パターンと同じ材料で作製され、上記回路パターンと超音波接合される接合層と、上記接合層の上記回路パターンと反対側に積層され、上記回路パターンの材料より線膨張係数が小さい表層と、から構成されている。 A semiconductor device according to the present invention includes an insulating substrate having a circuit pattern formed on a surface thereof, and an electrode terminal having a bonding portion ultrasonically bonded to the circuit pattern. The circuit pattern is made of Cu or Cu alloy. The joint portion is made of the same material as the circuit pattern, and is laminated on the side opposite to the circuit pattern of the joining layer, the joining layer to be ultrasonically joined to the circuit pattern, and the material of the circuit pattern. And a surface layer having a smaller linear expansion coefficient.
この発明によれば、接合層と回路パターンとが同じ材料で作製されているので、接合強度が大きくなる。また、表層の線膨張係数が回路パターンの材料の線膨張係数より小さいので、接合部の線膨張係数が、接合部が回路パターンと同じ材料のみで作製されている場合にくべて小さくなる。そこで、回路パターンと絶縁基板の複合体と、接合部と、の線膨張係数差が小さくなり、半導体装置の温度変化に起因して超音波接合部に作用する熱応力が小さくなる。これにより、線膨張係数差に起因する超音波接合部付近での破壊の発生が抑制される。 According to this invention, since the bonding layer and the circuit pattern are made of the same material, the bonding strength is increased. In addition, since the linear expansion coefficient of the surface layer is smaller than the linear expansion coefficient of the material of the circuit pattern, the linear expansion coefficient of the joint portion becomes smaller when the joint portion is made of only the same material as the circuit pattern. Therefore, the difference in linear expansion coefficient between the composite of the circuit pattern and the insulating substrate and the bonding portion is reduced, and the thermal stress acting on the ultrasonic bonding portion due to the temperature change of the semiconductor device is reduced. As a result, the occurrence of breakage near the ultrasonic bonded portion due to the difference in linear expansion coefficient is suppressed.
以下、本発明の半導体装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of a semiconductor device of the present invention will be described with reference to the drawings.
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1に係る半導体装置を示す断面図、図2はこの発明の実施の形態1に係る半導体装置における電極端子の接合部の構成を説明する図であり、図2の(a)は接合部周りを示す斜視図、図2の(b)は接合部周りを示す断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram for explaining the configuration of electrode terminal joints in the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. (A) of FIG. 2 is a perspective view showing the periphery of the joint, and FIG.
図1において、半導体装置1は、ケース型と呼ばれるIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)パワーモジュールであり、ベース板2と、ベース板2上に固定された絶縁基板3と、絶縁基板3の裏面に形成された金属パターン4と、絶縁基板3の表面に形成された回路パターン5と、回路パターン5上に固定された半導体チップ6と、回路パターン5と外部電源(図示せず)とを電気的、かつ機械的に接続する電極端子8と、半導体チップ6の電極7と回路パターン5とを電気的、かつ機械的に接続する金属ワイヤ9と、樹脂製のケース10と、を備えている。
In FIG. 1, a
ベース板2には、例えば、純Al、Al合金、純Cu、Cu合金、Al−SiC、AlC、Cu−Moなどの金属板が用いられる。絶縁基板3には、例えば、AlN、Al2O3、Si3N4などのセラミック基板や、ガラスエポキシ樹脂基板などが用いられる。金属パターン4には、純CuまたはCuを主成分とするCu合金が用いられ、ベース板2とはんだ11で接合するために、絶縁基板3の裏面の比較的広い面積、または全面に形成されている。回路パターン5には、導電性の高い純CuまたはCuを主成分とするCu合金が用いられ、絶縁基板3の表面に形成されている。
For the
電極端子8は、図2に示されるように、厚さが1〜2mm、幅が数mmの帯状体に構成され、回路パターン5と接合するために折り曲げられたネック部12を有する。そして、ネック部12の先端側が平坦な接合部13となる。接合部13は、接合層14と表層15とを厚さ方向に積層した2層構造となっている。そして、電極端子8の表層15を除く部分は、回路パターン5と同じ材料、すなわちCuまたはCu合金で作製されている。また、表層15は、接合層14の材料であるCuまたはCu合金より線膨張係数の小さい材料である、Fe、Ti、Ni、Mo、Cr、Au、又はそれらの合金などで作製されている。
As shown in FIG. 2, the
つぎに、回路パターン5と電極端子8との超音波接合方法について図3および図4を参照しつつ説明する。図3はこの発明の実施の形態1に係る半導体装置における超音波接合方法を説明する図であり、図3の(a)はその斜視図であり、図3の(b)は図3の(a)のA−A’矢斜断面図である。図4はこの発明の実施の形態1に係る半導体装置における回路パターンと電極端子との超音波接合部を示す要部断面図である。
Next, an ultrasonic bonding method between the
電極端子8を回路パターン5に接合するには、図3の(a)に示されるように、接合層14が回路パターン5に接するように接合部13を回路パターン5に重ね合わせる。ついで、超音波接合ツール16を接合部13の表層15上に載置し、荷重負荷方向17に押圧しながら振動方向18に超音波振動を印加する。これにより、図3の(b)に示されるように、超音波接合ツール16の押圧面16aに形成された突起19が表層15に食い込み、超音波振動が接合部13に伝達され、金属表面にあった汚れや酸化膜が除去され、回路パターン5と接合層14とが接合される。
In order to bond the
超音波接合後、表層15の表面には、図4に示されるように、突起19の食い込みよる圧痕20が残っている。また、超音波接合ツール16による押圧部の真下位置、すなわち圧痕20の真下位置に、回路パターン5と接合層14との超音波接合部21が形成されている。
After ultrasonic bonding, as shown in FIG. 4, an
この実施の形態1によれば、電極端子8の接合部13が、CuまたはCu合金で作製された接合層14と、CuまたはCu合金より線膨張係数の小さい材料で作製された表層15と、からなる2層構造となっているので、接合部13の線膨張係数は、接合部がCuまたはCu合金のみで作製されている場合よりも小さくなる。そこで、回路パターン5と絶縁基板3の複合体と、接合部13と、の間の線膨張係数差は、回路パターン5と絶縁基板3の複合体と、CuまたはCu合金のみで作製された接合部と、の間の線膨張係数差より小さくなる。そこで、半導体装置1が温度変化した際に、線膨張係数差に起因して超音波接合部21に作用する熱応力が小さくなる。また、接合部13の接合層14が回路パターン5と同じ材料で作製されているので、接合強度が大きくなる。これにより、半導体装置1の温度変化に起因する、超音波接合部21の端部を起点とした亀裂の発生や亀裂の進展を抑制でき、超音波接合部21付近での破壊の発生を防ぐことができる。
According to the first embodiment, the
電極端子の全体が異種金属からなる2層構造となっている場合には、半導体装置1の温度変化により電極端子がバイメタル効果により反り、超音波接合部21に引っ張り荷重が作用する。この実施の形態1では、電極端子8の接合部13の表層15を除く部分がCuまたはCu合金で作製されているので、バイメタル効果に起因する引っ張り荷重が超音波接合部21に作用することがなく、超音波接合部21の接合信頼性が高められる。
When the entire electrode terminal has a two-layer structure made of different metals, the electrode terminal warps due to the temperature change of the
ここで、表層15は、接合部13の超音波接合ツール16により押圧される側に形成されていればよく、超音波接合ツール16の押圧面16aよりもコンマ数mm〜数mm程度大きい範囲に形成されるのが好ましい。表層15の形成範囲が超音波接合ツール16の押圧面16aよりも小さい範囲であれば、超音波接合時に超音波接合ツール16が表層15と電極端子8を跨がって押圧することになる。表層16と電極端子8は剛性が異なり、超音波接合ツール16の押圧による変形量が異なるため、超音波接合部21に生じる圧力に偏りができ、超音波接合部21の強度が低下する可能性がある。
また、上記実施の形態1では、表層15は電極端子8の接合部13近傍と面一に形成されているが、表層15は必ずしも電極端子8の接合部13近傍と面一に形成される必要はない。
Here, the
In the first embodiment, the
実施の形態2.
図5はこの発明の実施の形態2に係る半導体装置における電極端子の接合部の構成を説明する図であり、図5の(a)は接合部周りを示す斜視図、図5の(b)は接合部周りを示す断面図である。図6はこの発明の実施の形態2に係る半導体装置における超音波接合方法を説明する要部断面図、図7はこの発明の実施の形態2に係る半導体装置における回路パターンと電極端子との超音波接合部を示す要部断面図である。
FIG. 5 is a view for explaining the structure of the joint portion of the electrode terminal in the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. FIG. 5 (a) is a perspective view showing the periphery of the joint portion, and FIG. 5 (b). FIG. 3 is a cross-sectional view showing the periphery of a joint. FIG. 6 is a cross-sectional view of an essential part for explaining the ultrasonic bonding method in the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, and FIG. It is principal part sectional drawing which shows a sound wave junction part.
図5において、電極端子8Aの接合部13Aは、接合層14と、超音波接合ツール16が挿入される穴部22を有するように接合層14上に枠状に形成された表層15Aと、から構成されている。穴部22は、超音波接合時に、表層15Aが超音波接合ツール16と干渉しないように、超音波接合ツール16の押圧面16aより大きくなっている。
なお、他の構成は、上記実施の形態1と同様に構成されている。
In FIG. 5, the joining
Other configurations are the same as those in the first embodiment.
実施の形態2では、電極端子8Aを回路パターン5に接合するには、図6に示されるように、接合層14が回路パターン5に接するように接合部13Aを回路パターン5に重ね合わせる。ついで、超音波接合ツール16を接合部13Aの穴部22内に差し入れ、荷重負荷方向17に押圧しながら振動方向18に超音波振動を印加する。これにより、超音波接合ツール16の突起19が穴部22内に露出する接合層14に食い込み、超音波振動が接合層14に伝達され、金属表面にあった汚れや酸化膜が除去され、回路パターン5と接合層14とが接合される。
In the second embodiment, in order to join the
超音波接合後、穴部22内に露出する接合層14の表面には、図7に示されるように、突起19の食い込みよる圧痕20が残っている。また、超音波接合ツール16による押圧部の真下位置、すなわち圧痕20の真下位置に、回路パターン5と接合層14との超音波接合部21が形成されている。
After the ultrasonic bonding, as shown in FIG. 7, an
半導体装置が温度変化した際に超音波接合部21に発生する熱応力は、超音波接合部21の外周部が最も大きくなる。実施の形態2では、z軸方向から見て、表層15Aが、超音波接合部21の外周部に近接して超音波接合部21を取り囲むように配置されている。そこで、超音波接合部21の周りの接合部13Aの線膨張係数が小さくなり、半導体装置の温度変化に起因して超音波接合部21の外周部に発生する熱応力が小さくなる。また、接合層14が回路パターン5と同じ材料で作製されているので、接合強度が大きくなる。したがって、実施の形態2においても、半導体装置の温度変化に起因する超音波接合部21付近での破壊の発生が抑制される。
The thermal stress generated in the
接合層14の剛性は表層15Aの剛性より小さい。実施の形態2では、超音波接合ツール16が剛性の小さい接合層14を直接押圧しているので、超音波接合ツール16に押圧される部位の塑性変形量が大きくなり、超音波接合部21の接合強度が大きくなる。したがって、実施の形態2によれば、半導体装置の温度変化に起因する超音波接合部21付近での破壊の発生をより抑制できる。
The rigidity of the
なお、上記実施の形態2では、穴部22はz方向から見て四角形の穴形状に形成されているが、穴部22は、超音波接合時に、表層15Aが超音波接合ツール16と干渉しない穴形状であればよく、例えば円形、楕円形でもよい。
また、上記実施の形態2では、穴部22が表層15Aを貫通するように形成されているが、穴部は表層を貫通しないように形成され、超音波接合ツール16が接触する領域を薄肉としてもよい。
In the second embodiment, the
In the second embodiment, the
実施の形態3.
図8はこの発明の実施の形態3に係る半導体装置における電極端子の接合部の構成を説明する図であり、図8の(a)は接合部周りを示す斜視図、図8の(b)は接合部周りを示す断面図である。
8A and 8B are views for explaining the configuration of the electrode terminal bonding portion in the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. FIG. 8A is a perspective view showing the periphery of the bonding portion, and FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view showing the periphery of a joint.
図8において、電極端子8Bの接合部13Bは、接合層14と、表層15Bと、から構成されている。表層15Bは、接合層14側の下層23aと、接合層14と逆側の上層23bと、の2層構造となっている。下層23aは、CuまたはCu合金より線膨張係数の小さい材料、すなわち実施の形態1における表層15と同じ材料で作製されている。上層23bは、CuまたはCu合金、すなわち接合層14と同じ材料で作製されている。さらに、上層23bの厚さt1は、接合層14の厚さt2と同じである。
なお、他の構成は上記実施の形態1と同様に構成されている。
In FIG. 8, the joining part 13B of the
Other configurations are the same as those in the first embodiment.
実施の形態3では、表層15Bが、CuまたはCu合金より線膨張係数の小さい材料で作製された下層23aと、CuまたはCu合金で作製された上層23bと、の2層構造に構成されているので、接合部13Bの線膨張係数は、接合部がCuまたはCu合金のみで作製されている場合よりも小さくなる。また、接合層14が回路パターン5と同じ材料で作製されているので、接合強度が大きくなる。したがって、実施の形態3においても、半導体装置の温度変化に起因する超音波接合部21付近での破壊の発生が抑制される。
In the third embodiment, the
実施の形態3では、表層15Bが、接合層14より線膨張係数の小さい材料で作製された下層23aと、接合層14と同じ材料で、接合層14と同じ厚さに形成された上層23bと、の2層構造に構成されている。そこで、接合部13Bは、その厚さ方向の中心を通る面に対して対称な構造となっており、温度が高くなった際の伸び量が、接合部13Bの厚さ方向の中心を通る面の接合層14側と上層23b側とで等しくなる。これにより、半導体装置の温度変化に起因する接合部13Bの反りの発生が抑制されるので、超音波接合部21付近での破壊の発生をより抑制できる。
In the third embodiment, the
ここで、実施の形態3では、穴部が表層15Bに形成されていないが、上記実施の形態2と同様に、表層15Bを貫通するように穴部を形成すれば、上記実施の形態2と同様の効果が得られる。
Here, in
なお、本発明は、発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせることや、各実施の形態の一部を変形や省略することができる。
また、上記各実施の形態において、電極端子および回路パターンの酸化防止を目的として、電極端子および回路パターンの表面にNiなどのメッキ処理を施してもよい。
In the present invention, the embodiments can be freely combined within the scope of the invention, and a part of the embodiments can be modified or omitted.
In each of the above embodiments, the surface of the electrode terminal and the circuit pattern may be plated with Ni or the like for the purpose of preventing oxidation of the electrode terminal and the circuit pattern.
1 半導体装置、3 絶縁基板、5 回路パターン、8,8A,8B 電極端子、13,13A,13B 接合部、14 接合層、15,15A,15B 表層、16 超音波接合ツール、22 穴部、23a 下層、23b 上層。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
上記回路パターンは、CuまたはCu合金で作製され、
上記接合部が、上記回路パターンと同じ材料で作製され、上記回路パターンと超音波接合される接合層と、上記接合層の上記回路パターンと反対側に積層され、上記回路パターンの材料より線膨張係数が小さい表層と、から構成されている半導体装置。 In a semiconductor device comprising: an insulating substrate having a circuit pattern formed on a surface; and an electrode terminal having a bonding portion ultrasonically bonded to the circuit pattern.
The circuit pattern is made of Cu or Cu alloy,
The joint is made of the same material as the circuit pattern, and is laminated on the side opposite to the circuit pattern of the joining layer, the joining layer to be ultrasonically joined to the circuit pattern, and linearly expanded from the material of the circuit pattern. A semiconductor device comprising a surface layer having a small coefficient.
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