JP2019079905A - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】配線の接続に関して高品質かつ高信頼性を有する半導体装置の提供を目的とする。【解決手段】半導体装置は、金属板と、表面に設けられる第１電極と裏面に設けられる第２電極とを含み、第２電極が金属板に接続されて金属板上に保持される半導体素子と、互いに対面する第１面および第２面を含み、第１面が半導体素子の第１電極に対面して接続される配線板と、板状の形状を有し、一端が外部に接続可能に配置され、かつ、他端の一方面側が配線板の第２面に固定されて、半導体素子の第１電極に配線される導体と、を備える。導体は、他端の一方面に少なくとも１つの凸型の段差を含む。導体が含む少なくとも１つの凸型の段差の頂部は、配線板の第２面に対して平行な接触面を含む。導体の他端は、接触面と配線板の第２面とが密着することにより配線板の第２面に固定される。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関し、特に半導体装置内の高品質な接合性、高寿命、高信頼性を有する配線接続技術に関するものである。

近年、環境規制の高まりから、環境問題に配慮された省エネルギーな半導体装置すなわち高いエネルギー効率を有する半導体装置の需要が高まっている。例えば、産業機器、モータを備えた家電の駆動制御機器、電気自動車、ハイブリッド自動車向けの車載制御機器、鉄道制御機器、太陽光発電の制御機器等に用いられる半導体装置には、高電力、高耐圧および高耐久に対応することが求められている。特に車載制御機器や鉄道制御機器に用いられる半導体装置においては、省エネルギーの観点や電気エネルギーの変換ロスを抑える観点から、高負荷環境下（高温環境下）においても高効率、低損失に動作することが求められている。例えば、これまでの通常の動作温度は、Ｔｊ＝１２５、１５０℃以下であったが、今後はＴｊ＝１７５℃、２００℃以上の高温環境下で動作することが求められている。

そこで、上記のような高温環境下においても、スイッチングロスを抑制することによる低損失化および高温状態での高効率化を図るべく、半導体装置の構造を見直す必要がある。特に、半導体装置内の配線接続部（接合部）が最も劣化し易く、配線接続部の高品質、高信頼性、高寿命化の実現が課題である。またレーザを用いた配線接続の接合工程におけるコスト低減、生産性向上を図る必要もある。

特開２００７−２２７８９３号公報

配線の接続には、従来、Ｓｎを含むはんだが用いられていた。しかしながら高温環境下で用いられるパワー半導体装置の内部配線において、Ｓｎを含むはんだは耐久性に課題を有する。近年では、高温環境下においても耐久性を有する接合材の開発が進んでいるが、所望の寿命および信頼性を確保することは困難である。

一方で、レーザを用いた接合により配線を接続する技術がある。例えば、特許文献１には、レーザ溶接により半導体チップとリードフレームとを接合する半導体装置の製造方法が提案されている。しかし、レーザによる接合は、接合面にＮｉめっき等の外装処理を施す必要があり、製造工程の工数が増加し、高コスト化につながる。また、レーザ接合の際に発生する熱は、半導体素子の信頼性を劣化させる可能性がある。このような理由により、レーザ接合による配線の接合は、耐久性が求められる半導体装置に対して実用化することが技術的に困難である。

本発明は上記のような課題を解決するためになされてものであり、配線の接続に関して高品質かつ高信頼性を有する半導体装置の提供を目的とする。

本発明に係る半導体装置は、金属板と、表面に設けられる第１電極と裏面に設けられる第２電極とを含み、第２電極が金属板に接続されて金属板上に保持される半導体素子と、互いに対面する第１面および第２面を含み、第１面が半導体素子の第１電極に対面して接続される配線板と、板状の形状を有し、一端が外部に接続可能に配置され、かつ、他端の一方面側が配線板の第２面に固定されて、半導体素子の第１電極に配線される導体と、を備える。導体は、他端の一方面に少なくとも１つの凸型の段差を含む。導体が含む少なくとも１つの凸型の段差の頂部は、配線板の第２面に対して平行な接触面を含む。導体の他端は、接触面と配線板の第２面とが密着することにより配線板の第２面に固定される。

本発明によれば、配線の接続に関して高品質かつ高信頼性を有する半導体装置の提供が可能である。

本発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白になる。

実施の形態１における半導体装置の構成を示す断面図である。 実施の形態１における半導体装置の構成を示す上面図である。 実施の形態１における第１導体の他端の構成を拡大して示す断面図である。 実施の形態１における第２導体の他端の構成を拡大して示す断面図である。 実施の形態１における半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。 実施の形態１におけるレーザ接合後の半導体装置の構成を示す上面図である。 実施の形態２における第１導体の他端の構成を拡大して示す断面図である。 実施の形態２における第２導体の他端の構成を拡大して示す断面図である。 実施の形態３における半導体装置の構成を示す断面図である。 実施の形態３における第１導体の他端の構成を拡大して示す断面図である。 実施の形態４における半導体装置の構成を示す断面図である。 実施の形態５における半導体装置の構成を示す断面図である。 実施の形態５における半導体装置の構成を示す上面図である。

半導体装置および半導体装置の製造方法の実施の形態を説明する。

＜実施の形態１＞
（装置構成）
図１は、実施の形態１における半導体装置１００の構成を示す断面図である。図２は、実施の形態１における半導体装置１００の構成を示す上面図である。半導体装置１００は、金属板１、半導体素子２、配線板３、導体およびその導体とは異なる別の導体を含む。以下の実施の形態において、導体を第１導体４、別の導体を第２導体５という。また、実施の形態１においては、半導体装置１００は、さらに放熱板６および封止材７を含む。

金属板１は、半導体素子２にて発生する熱を放熱板６に放熱する機能を有する。金属板１は、例えば、熱伝導率が凡そ４００Ｗ／ｍ・Ｋ、かつ、電気抵抗率がおおよそ２μΩ・ｃｍである銅もしくは銅合金などの金属からなる。金属板１の厚さは、３〜５ｍｍ程度である。

半導体素子２は、金属板１上に保持される。半導体素子２は、例えば、１辺が７ｍｍ〜１５ｍｍ程度の大きさを有し、大電力をスイッチング制御するパワー半導体素子である。半導体素子２は、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である。または、例えば、半導体素子２は、ダイオード機能を有する半導体素子である。実施の形態１において半導体装置１００は、この２種類の半導体素子を一対備える。半導体素子２は、Ｓｉ製のＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ（ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）またはダイオードであってもよいし、それらがＳｉＣ製もしくはＧａＮ製であってもよい。これらのＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等の半導体素子２は、大電流をスイッチング制御するため発熱量が大きい。したがって、半導体装置１００には、熱伝導率が高く、効率的に放熱する金属板１が設けられる。

半導体素子２には、表面に第１電極２１が、裏面に第２電極２２が設けられている。半導体素子２がＩＧＢＴである場合、表面には、第１電極２１である表面電極としてゲート電極およびエミッタ電極が配置され、裏面には、第２電極２２である裏面電極としてコレクタ電極が配置される。裏面の第２電極２２が金属板１の一面１１に接続されることにより、半導体素子２は金属板１上に保持されている。表面電極および裏面電極は、例えば、Ｔｉ−Ｎｉ−Ａｕ等の合金である。実施の形態１において、半導体素子２の第２電極２２は、接合材８により金属板１の一面１１に接合されている。接合材８は、導電性を有しＡｇまたはＣｕを含む接合材である。

配線板３は、互いに対面する第１面３１および第２面３２を含む。配線板３は、導電性を有し、例えば、銅もしくは銅合金からなる。配線板３の第１面３１は、半導体素子２の第１電極２１に対面して接続される。実施の形態１において、配線板３の第１面３１は、接合材８を介して半導体素子２の第１電極２１に接合される。その接合材８は、導電性を有し、ＡｇまたはＣｕを含む。配線板３は熱容量を有する。配線板３の厚さは、０．１μｍから数ｍｍが好ましい。配線板３は、熱膨張係数を調整できる機能を有している。半導体装置１００の内部には、各部材の熱膨張係数差により熱歪または熱応力が生じるため、長寿命および高信頼化を実現すべく調整機能が必要である。

第１導体４は、板状の形状を有する。第１導体４の一端は、外部に接続可能に配置され、他端の一方面４ａ側が配線板３の第２面３２に固定される。第１導体４は、配線板３に接続することにより、半導体素子２の第１電極２１に配線される。なお、図１および図２において、一端の図示は省略されており、他端のみが図示されている。図３は、実施の形態１における第１導体４の他端の構成を拡大して示す断面図である。第１導体４は、他端の一方面４ａに少なくとも１つの凸型の段差４１を含む。実施の形態１においては、２つの凸型の段差４１が設けられている。一方面４ａに設けられる凸型の段差の個数は、半導体素子２の大きさまたは配線板３の大きさに依存する。例えば、半導体素子２のサイズが複数の凸型の段差を設けることができるほどに大きくない場合、第１導体４には１つの凸型の段差が設けられる。各凸型の段差４１の頂部は、配線板３の第２面３２に対して平行な接触面４２を含む。第１導体４の他端は、接触面４２と配線板３の第２面３２とが密着することにより配線板３の第２面３２に固定されている。なお、実施の形態１において、各凸型の段差４１が設けられている位置において、反対側の他方面４ｂは平面である。第１導体４は、例えば、銅もしくは銅合金からなり、第１導体４の厚さは、０．５〜２ｍｍ程度の平板である。

第２導体５は、図１に示すように、板状の形状を有する。第２の一端は、外部に接続可能に配置され、他端の一方面４ａ側が金属板１の一面１１に固定される。つまり、第２導体５は、半導体素子２の第２電極２２に配線されることにより、半導体素子２の第２電極２２に配線される。なお、図１および図２において、一端の図示は省略されており、他端のみが図示されている。図４は、実施の形態１における第２導体５の他端の構成を拡大して示す断面図である。第２導体５は、他端の一方面５ａに少なくとも１つの凸型の段差５１を含む。実施の形態１においては、１つの凸型の段差５１が設けられている。凸型の段差５１の頂部は、金属板１の一面１１に対して平行な接触面５２を含む。第２導体５の他端は、第２導体５の接触面５２と金属板１の一面１１とが密着することにより金属板１の一面１１に固定されている。なお、実施の形態１において、凸型の段差５１が設けられている位置において、反対側の他方面５ｂは平面である。第２導体５は、例えば、銅もしくは銅合金からなり、第２導体５の厚さは、０．５〜２ｍｍ程度の平板である。

以上の接続により、半導体素子２がＩＧＢＴである場合、表面に設けられるエミッタ電極（第１電極２１）は、接合材８、配線板３および第１導体４を介して外部端子（図示せず）に接続可能である。半導体素子２の裏面に設けられるコレクタ電極（第２電極２２）は、接合材８、金属板１および第２導体５を介して外部端子（図示せず）に接続可能である。すなわち、第１導体４および第２導体５により、半導体素子２は、外部からのスイッチング制御がなされる。

放熱板６は、図１に示すように、半導体素子２が接続される金属板１の一面１１とは反対側に位置する金属板１の裏面に固着されている。放熱板６は、絶縁層と保護金属層との積層構造（図示せず）で構成される。絶縁層は、例えば、窒化ホウ素またはアルミナ等のフィラーが混入されたエポキシ樹脂を含む。保護金属層は、熱伝導性の高い銅、アルミ等からなる。半導体素子２で発熱する熱は、接合材８、金属板１、放熱板６を伝わって放熱される。さらに図示は省略しているが、放熱板６に、別の放熱板、複数フィンを備えたヒートシンクもしくは水冷フィンが接続されていてもよい。そのような構成は、放熱性能つまり冷却性能を向上させる。その結果、半導体素子２の温度上昇が抑制され、半導体素子２は、高効率つまり低損失に動作する。なお、放熱板６は、必ずしも必要はなく、半導体装置１００が使用されるシステム構成に依存する。

封止材７は、上記の金属板１、半導体素子２、配線板３、第１導体４および第２導体５を封止する。封止材７は、例えば樹脂である。

（半導体装置の製造方法）
実施の形態１における半導体装置１００の製造方法について説明する前に、前提技術における半導体装置の製造方法における課題を述べる。一般的に、半導体素子２の表面電極から外部電極への配線の接続は、アルミ等の金属ワイヤをワイヤボンディングにより配線され、金属ワイヤと電極とは固相接合される。大電流をスイッチング制御する電力半導体装置には、複数の金属ワイヤが並列に配設されており、また、各ワイヤの線径は５００μｍ程度を有する太い金属ワイヤが採用されていた。しかし、電力半導体装置で扱う電気容量または接合箇所の寿命において限界が生じている。電力半導体装置の小型化が進むにことにより、半導体素子のサイズも小さくなるため、金属ワイヤの並列数を増加させることは困難である。また、従来よりも大きい線径を有する金属ワイヤが採用される場合、金属ワイヤの接合面である表面電極において印加する圧力、振動を高めて接合する必要がある。これらの圧力または応力が過大な場合、半導体素子が破壊され得る。さらに、電力半導体装置は、過酷なヒートサイクル、パワーサイクルに耐える必要がある。電力半導体装置の仕様出力は、数百ボルト、数千ボルトと増大し続ける傾向にある。配線の接続に関して、高電流に対応し、電気抵抗の低減を促し、かつ過酷な環境下でも、接合部の信頼性および高寿命化を図る必要がある。

次に、実施の形態１における半導体装置１００の製造方法について述べる。図５は、実施の形態１における半導体装置１００の製造方法を示すフローチャートである。

ステップＳ１にて、金属板１、半導体素子２、配線板３および第１導体４が準備される。実施の形態１においては、このステップＳ１にて、上述の第２導体５も準備される。また、準備される半導体素子２は、第２電極２２が金属板１に接続されて金属板１上に保持されている。ここで、半導体素子２の第２電極２２は、金属板１の一面１１に対面して保持されるよう、接合材８を介して接合される。接合材８は、ＡｇもしくはＣｕを含む焼結材が焼結されることにより形成される。つまり、第２電極２２と金属板１とは、低温焼結接合により接合されている。低温焼結接合では、保護膜等の表面安定剤で覆われた金属粒子を溶剤中に含む焼結材が加熱されることにより、溶剤が揮発し金属粒子が互いに接合する。金属粒子の直径は、数ｎｍ〜数μｍ程度である。金属粒子は、例えばＡｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔを含む粒子である。溶剤とは、例えば有機溶剤である。粒子サイズがナノオーダーの金属粒子は、表面エネルギーによりバルク状態の融点より低温で凝集し接合する。加熱温度は、１５０℃〜３５０℃である。加圧することなく焼結接合可能であるが、必要に応じて、２ＭＰａ〜１０ＭＰａ程度の加圧も実施してもよい。無加圧で焼結させる場合、加熱時間は、１０〜１２０分程である。焼結後の接合材８は、９００度以上の融点を有し、高い耐熱性と信頼性とを有する。焼結後の接合材８の厚さは、２０〜２００μｍ程度である。焼結材がペーストタイプである場合、焼結材の印刷工程および乾燥工程を加熱前に行う。焼結材がシートタイプの場合、事前にシート材がマウントされ、印刷工程および乾燥工程は不要である。シートタイプの焼結材は、従来のペーストタイプよりもアセンブリ性がよい。シートの厚さは４０〜４００μｍの範囲内である所定の高さである。

ステップＳ２にて、配線板３の第１面３１が半導体素子２の第１電極２１に対面して接続される。ここでは、配線板３の第１面３１は接合材８を介して半導体素子２の第１電極２１に接合される。ステップＳ２における接合材８および接合方法も、ステップＳ１と同様である。

ステップＳ３にて、第１導体４の一端が外部に接続可能に、かつ、第１導体４の他端の一方面４ａ側が配線板３の第２面３２上に位置するよう第１導体４が載置される。この際、第１導体４の各凸型の段差４１の接触面４２が、配線板３の第２面３２に対して平行にそれぞれ接触する。

ステップＳ４にて、第１導体４の各凸型の段差４１の接触面４２と配線板３の第２面３２とがそれぞれレーザ接合される。第１導体４がレーザを吸収することにより生じる熱エネルギーが、第１導体４および配線板３の一部を溶融し、両者が接合される。そして、各凸型の段差４１の接触面４２と配線板３の第２面３２とが密着し、第１導体４の他端が配線板３の第２面３２に固定される。これにより、第１導体４は、半導体素子２の第１電極２１に配線される。

第１導体４と半導体素子２との間に設けられた配線板３は、レーザ接合の際に生じる熱が半導体素子２に伝導することを防ぐ。つまり、配線板３の熱容量が大きいために、熱は配線板３に蓄えられる。その結果、半導体素子２が熱によって破壊されることを回避できる。

実施の形態１において、各凸型の段差４１の接触面４２と配線板３の第２面３２とは、ファイバーレーザから発振される波長５００から１２００ｎｍのレーザによってレーザ接合される。従来のレーザ接合においては、接合に必要なエネルギーを得るため、Ｃｕよりもレーザの吸収率が高いＮｉめっき等を接合対象物の表面に施していた。実施の形態１の製造方法においては、第１導体４または第２導体５を形成するＣｕもしくはＣｕを含む合金は、波長５００〜１２００ｎｍのレーザを効率的に吸収する。従って、上記のファイバーレーザによるレーザ接合においては、Ｎｉめっき等の外装処理が不要である。また、１つの接合箇所に対し数十ｍｓ〜１ｓ前後のレーザ照射によりレーザ接合が可能である。そのため、生産性向上を図ることができ、低コスト化が実現できる。

ステップＳ５にて、第２導体５の一端が外部に接続可能に、かつ、第２導体５の他端の一方面５ａ側が金属板１の一面１１上に位置するよう第２導体５が載置される。この際、第２導体５の凸型の段差５１の接触面５２が、金属板１の一面１１に対して平行にそれぞれ接触する。

ステップＳ６にて、第２導体５の凸型の段差５１の接触面５２と金属板１の一面１１とがレーザ接合される。第２導体５がレーザを吸収することにより生じる熱エネルギーが、第２導体５および金属板１の一部を溶融し、両者が接合される。そして、凸型の段差５１の接触面５２と金属板１の一面１１とが密着し、第２導体５の他端が金属板１の一面１１に固定される。これにより、半導体素子２の第２電極２２に第２導体５が配線される。なお、ステップＳ４と同様に、上記のレーザ接合には、ファイバーレーザが用いられる。図６は、実施の形態１におけるレーザ接合後の半導体装置１００の構成を示す上面図である。第１導体４の各凸型の段差４１の接触面４２に対応する位置と、第２導体５の各凸型の段差５１の接触面５２に対応する位置とに、レーザ接合部８０が形成されている。

ステップＳ７にて、樹脂にて半導体素子２等が封止され、放熱板６と金属板１とは密着して固定される。樹脂は、エポキシ樹脂が主成分の封止材７であり、トランスファーモールドによって半導体素子２等は封止される。

なお、各ステップが実行される順番は、上記に限られず、前後してもよい。

以上をまとめると、実施の形態１における半導体装置１００は、金属板１と、表面に設けられる第１電極２１と裏面に設けられる第２電極２２とを含み、第２電極２２が金属板１に接続されて金属板１上に保持される半導体素子２と、互いに対面する第１面３１および第２面３２を含み、第１面３１が半導体素子２の第１電極２１に対面して接続される配線板３と、板状の形状を有し、一端が外部に接続可能に配置され、かつ、他端の一方面４ａ側が配線板３の第２面３２に固定されて、半導体素子２の第１電極２１に配線される導体（第１導体４）と、を備える。第１導体４は、他端の一方面４ａに少なくとも１つの凸型の段差４１を含む。第１導体４が含む少なくとも１つの凸型の段差４１の頂部は、配線板３の第２面３２に対して平行な接触面４２を含む。第１導体４の他端は、接触面４２と配線板３の第２面３２とが密着することにより配線板３の第２面３２に固定される。

２枚の平板間にてレーザ接合する場合、レーザ接合する位置毎に平板間の接合強度にばらつきが発生することが考えられる。そのような接合は、半導体装置１００に要求される信頼性に影響を与える可能性がある。実施の形態１の半導体装置１００によれば、第１導体４の各凸型の段差４１形状の接触面４２は、配線板３の第２面３２に対し平行に配置され、互いが確実に接触する。よって、各凸型の段差４１の接触面４２と配線板３の第２面３２との接合強度のばらつきが抑制される。また、第１導体４と半導体素子２との間に熱容量の大きな配線板３が設けられる。配線板３は、レーザ接合の際に生じる熱が半導体素子２に伝達することを妨げ、半導体素子２の熱による破壊を防ぐ。半導体装置１００は、第１導体４の配線において、所望の接合強度を有し、高信頼性を有する。

実施の形態１における半導体装置１００が含む配線板の第１面３１と半導体素子２の第１電極２１とは、または、金属板１と半導体素子２の第２電極２２とは、ＡｇまたはＣｕを含みかつ導電性を有する接合材を介して接続される。

このような構成により、ＡｇまたはＣｕを含む焼結後の接合材８は９００度以上の融点を有し、半導体装置１００は高い耐熱性および信頼性を得る。

実施の形態１における半導体装置１００は、板状の形状を有し、一端が外部に接続可能に配置され、かつ、他端の一方面５ａ側が金属板１の一面１１に固定されて、半導体素子２の第２電極２２に配線される、第１導体４とは異なる別の導体（第２導体５）をさらに備える。第２導体５は、他端の一方面５ａに少なくとも１つの凸型の段差５１を含む。第２導体５が含む少なくとも１つの凸型の段差５１の頂部は、金属板１の一面１１に対して平行な接触面５２を含む。第２導体５の他端は、第２導体５の接触面５２と金属板１の一面１１とが密着することにより金属板１の一面１１に固定される。

このような構成により、第２導体５の凸型の段差５１の接触面５２は、金属板１の一面１１に対し平行に配置され、互いが確実に接触する。よって、凸型の段差５１の接触面５２と金属板１の一面１１との接合強度のばらつきが抑制される。また、金属板１と第２導体５とが望ましい溶融形状で接合される。半導体装置１００は、所望の接合強度つまり安定した接合を得る。

実施の形態１における半導体装置１００の製造方法は、金属板１と、表面に設けられる第１電極２１と裏面に設けられる第２電極２２とを含み第２電極２２が金属板１に接続されて金属板１上に保持される半導体素子２と、互いに対面する第１面３１および第２面３２を含む配線板３と、板状の形状を有する第１導体４と、を準備し、配線板３の第１面３１を半導体素子２の第１電極２１に対面して接続し、第１導体４の一端を外部に接続可能に配置し、かつ、第１導体４の他端の一方面４ａ側を配線板３の第２面３２に固定して、半導体素子２の第１電極２１に第１導体４を配線する。第１導体４は、他端の一方面４ａに少なくとも１つの凸型の段差４１を含む。第１導体４が含む少なくとも１つの凸型の段差４１の頂部は、接触面４２を含む。第１導体４の他端の一方面４ａ側を配線板３の第２面３２に固定する際、接触面４２が配線板３の第２面３２に対して平行に接触するよう第１導体４を載置し、第１導体４の接触面４２と配線板３の第２面３２とをレーザ接合して密着させ、第１導体４の他端を配線板３の第２面３２に固定する。

実施の形態１の半導体装置１００の製造方法によれば、第１導体４の各凸型の段差４１形状の接触面４２は、配線板３の第２面３２に対し平行に配置され、互いが確実に接触する。よって、各凸型の段差４１の接触面４２と配線板３の第２面３２との接合強度のばらつきが抑制される。また、第１導体４と半導体素子２との間に熱容量の大きな配線板３が設けられる。配線板３は、レーザ接合の際に生じる熱が半導体素子２に伝達することを妨げ、半導体素子２の熱による破壊を防ぐ。半導体装置１００は、第１導体４の配線において、所望の接合強度を有し、高信頼性を有する。

実施の形態１における半導体装置１００の製造方法は、第１導体４の接触面４２と配線板３の第２面３２とをレーザ接合する際、ファイバーレーザから発振される波長５００ｎｍから１２００ｎｍのレーザによってレーザ接合する。

このような構成により、従来のような接合対象物の表面にＮｉめっき等の外装処理が不要である。また、効率よくレーザが吸収されるため、１つの接合箇所に対し数十ｍｓ〜１ｓ前後のレーザ照射でレーザ接合が可能である。そのため、生産性向上を図ることができ、低コスト化が実現できる。

実施の形態１における半導体装置１００の製造方法は、配線板３の第１面３１と半導体素子２の第１電極２１とを、または、金属板１と半導体素子２の第２電極２２とを、接合材８を介して接続する。接合材８は、ＡｇもしくはＣｕを含む焼結材が焼結して形成される。

このような構成により、従来の接合工程のように、高融点まで半導体装置１００を加熱する必要が無く、熱応力に起因した歪みまたは反りの発生を回避することができる。焼結後の接合材８は９００度以上の融点を有するため、その後のレーザ接合の工程において、はんだが再溶融することが抑制され、さらには半導体素子２の熱破壊を防ぐことができる。はんだ接合よりも焼結材を用いた接合により製造した半導体装置１００は、高い耐熱性および信頼性を有する。

実施の形態１における半導体装置１００の製造方法は、第１導体４とは異なる第２導体５をさらに準備し、板状の形状を有し、第２導体５の一端を外部に接続可能に配置し、かつ、第２導体５の他端の一方面５ａ側を金属板１の一面１１に固定して、半導体素子２の第２電極２２に第２導体５を配線する。第２導体５は、第２導体５の他端の一方面５ａに、少なくとも１つの凸型の段差５１を含む。第２導体５が含む少なくとも１つの凸型の段差５１の頂部は、金属板１の一面１１に接触する接触面５２を含む。第２導体５の他端の一方面５ａ側を金属板１の一面１１に固定する際、第２導体５の接触面５２が金属板１の一面１１に対して平行に接触するよう第２導体５を載置し、第２導体５の接触面５２と金属板１の一面１１とをレーザ接合して密着させ、第２導体５の他端を金属板１の一面１１に固定する。

このような構成により、第２導体５の凸型の段差５１の接触面５２は、金属板１の一面１１に対し平行に配置され、互いが確実に接触する。よって、凸型の段差５１の接触面５２と金属板１の一面１１との接合強度のばらつきが抑制される。また、金属板１と第２導体５とが望ましい溶融形状で接合される。半導体装置１００は、所望の接合強度つまり安定した接合を得る。

実施の形態１における半導体装置１００の製造方法は、第２導体５の接触面５２と金属板１の一面１１とをレーザ接合する際、ファイバーレーザから発振される波長５００から１２００ｎｍのレーザによってレーザ接合する。

上記のファイバーレーザから発振される波長５００〜１２００ｎｍのレーザは、第２導体５を形成するＣｕもしくはＣｕを含む合金に効率的に吸収される。そのため、従来のような接合対象物の表面にＮｉめっき等の外装処理が不要である。また、効率よくレーザが吸収されるため、１つの接合箇所に対し数十ｍｓ〜１ｓ前後のレーザ照射でレーザ接合が可能である。そのため、生産性向上を図ることができ、低コスト化が実現できる。

＜実施の形態２＞
実施の形態２における半導体装置および半導体装置の製造方法を説明する。

図７は、実施の形態２における第１導体４の他端の構成を拡大して示す断面図である。図８は、実施の形態２における第２導体５の他端の構成を拡大して示す断面図である。その他の構成は、実施の形態１における半導体装置１００と同様である。

実施の形態２における第１導体４は、他方面４ｂにおいて、各凸型の段差４１に対応する位置に凹型の段差４３を含む。なお他方面４ｂとは、接触面４２が位置する一方面４ａ側とは反対側の面のことである。第１導体４が含む各凸型の段差４１の頂部に位置する接触面４２は、配線板３の第２面３２に対して平行であり密着している。

同様に、第２導体５は、他方面５ｂにおいて、凸型の段差５１に対応する位置に凹型の段差５３を含む。第２導体５が含む凸型の段差５１の頂部に位置する接触面５２は、金属板１の一面１１に対して平行であり密着している。

図５に示した半導体の製造方法のステップＳ４において、第１導体４の他方面４ｂに凹型の段差４３が設けられることにより、レーザ接合装置は、他方面４ｂ側からレーザ接合するべき位置を画像処理によって自動認識することができる。レーザ接合装置は、認識した位置に対して的確にレーザエネルギーを与えられる。その結果、良好な接合形状および接合強度が得られる、または、接合ばらつきが抑制できる。ステップＳ４におけるレーザ接合工程が自動化されることにより、半導体装置１００の製造工程が安定化し、生産性が向上する。ステップＳ６における第２導体５の接触面５２と金属板１の一面１１とのレーザ接合においても同様である。

＜実施の形態３＞
実施の形態３における半導体装置および半導体装置の製造方法を説明する。なお、実施の形態１または２と同様の構成および動作については説明を省略する。

図９は、実施の形態３における半導体装置１０２の構成を示す断面図である。図１０は、実施の形態３における第１導体４の他端の構成を拡大して示す断面図である。

図１０に示すように、第１導体４が含む各凸型の段差４１は、突起形状を有する。突起形状の頂部に、配線板３の第２面３２と密着する接触面４２が位置する。図示は省略するが、第２導体５も同様の構成を有する。

図９に示すように、実施の形態３における半導体装置１０２は、放熱板６が設けられておらず、金属板１および金属板１よりも下層の構成が実施の形態１の構成とは異なる。金属板１の一面１１には回路パターン（図示せず）が形成されており、その回路パターンに対応して半導体素子２が接続されている。半導体装置１０２には、半導体素子２を保持し第２配線が接続される金属板１の一面１１とは反対側に位置する下面に絶縁層１２が設けられ、さらにその絶縁層１２の下層に金属層１３が設けられている。絶縁層１２は、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＡｌＮもしくＡｌ_２Ｏ_３から構成されている。金属層１３は、２〜７ｍｍのＣｕからなり、熱容量が確保されている。また、半導体素子２、金属板１、第１導体４および第２導体５等は、ケース１０に内包されるよう配置され、ケース１０内が封止材７で封止される。ケース１０は、ＰＰＴ（Polyethylene terephthalate）もしくはＰＢＴ（Polybutylene terephthalate）等で成形されている。封止材７は、シリコーンもしくはエポキシ樹脂を主材とした樹脂である。

半導体装置１０２の製造方法において、第１導体４の突起形状は、プレス等により安易な方法で形成される。第１導体４と配線板３との接合および第２導体５と金属板１との接合の方法は、実施の形態１と同様である。

＜実施の形態４＞
実施の形態４における半導体装置および半導体装置の製造方法を説明する。なお、他の実施の形態と同様の構成および動作については説明を省略する。

図１１は、実施の形態４における半導体装置１０３の構成を示す断面図である。半導体装置１０３には、半導体素子２の第１電極２１と、第１導体４を固定する配線板３との間に、金属からなる少なくとも１つの接続板１４が設けられている。実施の形態４においては、１つの接続板１４が設けられている。接続板１４は、配線板３と同様の構成を有していてもよい。つまり、接続板１４は、導電性を有し、例えば、銅もしくは銅合金からなる。接続板１４の厚さは、０．１μｍから数ｍｍが好ましい。接続板１４と半導体素子２の第２電極２２とは接合材８を介して接続されており、同様に、接続板１４と配線板３の第１面３１とは接合材８を介して接続されている。

実施の形態４における接合材８は、導電性を有し、Ｓｎを主成分に含む。接合材８は、Ｃｕ−Ｓｎ系の金属間化合物を含み、高耐熱性を有する。また、接合材８が、樹脂成分を含んでもよい。混入させた樹脂成分により、接合材８の弾性率を小さくし、熱歪または熱応力が緩和される。実施の形態１に示した半導体装置１００の接合材８が上記の構成と同様であってもよい。すなわち、配線板３の第１面３１と半導体素子２の第１電極２１とが、または、金属板１の一面１１と半導体素子２の第２電極２２とが、Ｓｎを含みかつ導電性を有する接合材８を介して接続されてもよい。また、逆に、実施の形態４における接合材が、実施の形態１にて示したＡｇまたはＣｕを含む接合材８であってもよい。

実施の形態４においては、図５に示す半導体装置の製造方法のステップＳ１にて、接続板１４が準備される。そして、ステップＳ２の前に、接続板１４が半導体素子２の第１電極２１上に接続される。ここでは、接続板１４は、上記の接合材により第１電極２１上に接合させる。

ステップＳ２にて、配線板３の第１面３１が半導体素子２の第１電極２１に対面して接続される。実施の形態４では、配線板３の第１面３１は接合材８と接続板１４とを介して半導体素子２の第１電極２１に接続される。その際、上記のＳｎを含む接合材８は、Ｓｎを含むインサート材が液相拡散接合されることにより形成される。

以上をまとめると、実施の形態４における半導体装置１００は、半導体素子２の第１電極２１と、第１導体４を固定する配線板３との間に、金属からなる少なくとも１つの接続板１４をさらに備える。

このような構成により、レーザ接合の際に生じる熱が、配線板３および接続板１４によって半導体素子２に伝達されにくくなる。半導体素子２の信頼性が向上する。また、レーザ接合により、安定した接合が得られ半導体装置１００の信頼性が向上する。

＜実施の形態５＞
実施の形態５における半導体装置および半導体装置の製造方法を説明する。なお、他の実施の形態と同様の構成および動作については説明を省略する。

図１２は、実施の形態５における半導体装置１０４の構成を示す断面図である。図１３は、実施の形態５における半導体装置１０４の構成を示す上面図である。第１導体４は、第１導体４の凸状の段差の接触面４２に設けられた貫通孔９を含む。第１導体４の接触面４２は、その貫通孔９の外周に連続的に沿って、配線板３の第２面３２に密着している。同様に、第２導体５は、第２導体５の凸状の段差の接触面４２に設けられた貫通孔９を含む。第２導体５の接触面４２は、その貫通孔９の外周に連続的に沿って、金属板１の一面１１に密着している。

実施の形態５における半導体装置１００の製造方法において、レーザ接合の際、レーザは、貫通孔９の周囲に照射される。実施の形態２の半導体装置１００の製造方法と同様に、レーザ接合工程において、レーザ接合装置は、画像処理等により接合すべき位置を把握できるため、的確に第１導体４の接触面４２または第２導体５の接触面４２にレーザを照射することができる。その結果、良好な強度を有する接合が得られる。またレーザ接合工程の自動化が可能であり、生産性が向上する。接合後の状態は、図１３に示すように、貫通孔９サイズは小さい。

なお、本発明は、その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たり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。本発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての態様において、例示であって、本発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、本発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。

１ 金属板、２ 半導体素子、３ 配線板、４ 第１導体、４ａ 一方面、４ｂ 他方面、５ 第２導体、５ａ 一方面、５ｂ 他方面、８ 接合材、９ 貫通孔、１１ 一面、１４ 接続板、２１ 第１電極、２２ 第２電極、３１ 第１面、３２ 第２面、４１ 凸型の段差、４２ 接触面、４３ 凹型の段差、５１ 凸型の段差、５２ 接触面、５３ 凹型の段差、８０ レーザ接合部、１００ 半導体装置。

Claims (24)

1. 金属板と、
   表面に設けられる第１電極と裏面に設けられる第２電極とを含み、前記第２電極が前記金属板に接続されて前記金属板上に保持される半導体素子と、
   互いに対面する第１面および第２面を含み、前記第１面が前記半導体素子の前記第１電極に対面して接続される配線板と、
   板状の形状を有し、一端が外部に接続可能に配置され、かつ、他端の一方面側が前記配線板の前記第２面に固定されて、前記半導体素子の前記第１電極に配線される導体と、を備え、
   前記導体は、前記他端の前記一方面に少なくとも１つの凸型の段差を含み、
   前記導体が含む前記少なくとも１つの凸型の段差の頂部は、前記配線板の前記第２面に対して平行な接触面を含み、
   前記導体の前記他端は、前記接触面と前記配線板の前記第２面とが密着することにより前記配線板の前記第２面に固定される半導体装置。
2. 前記導体は、
   前記一方面の前記少なくとも１つの凸型の段差に対応する他方面における位置に凹型の段差を含む請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記導体は、
   前記導体の前記接触面に設けられた貫通孔を含む請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記導体の前記接触面は、
   前記貫通孔の外周に連続的に沿って、前記配線板の前記第２面に密着する請求項３に記載の半導体装置。
5. 前記配線板の前記第１面と前記半導体素子の前記第１電極とは、または、前記金属板と前記半導体素子の前記第２電極とは、Ａｇ、ＣｕまたはＳｎを含みかつ導電性を有する接合材を介して接続される請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の半導体装置。
6. 前記半導体素子の前記第１電極と、前記導体を固定する前記配線板との間に、金属からなる少なくとも１つの接続板をさらに備える請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の半導体装置。
7. 前記接続板と前記半導体素子の前記第１電極とは、または、前記接続板と前記配線板とは、Ａｇ、ＣｕまたはＳｎを含みかつ導電性を有する接合材を介して接続される請求項６に記載の半導体装置。
8. 板状の形状を有し、一端が外部に接続可能に配置され、かつ、他端の一方面側が前記金属板の一面に固定されて、前記半導体素子の前記第２電極に配線される、前記導体とは異なる別の導体をさらに備え、
   前記別の導体は、前記他端の一方面に少なくとも１つの凸型の段差を含み、
   前記別の導体が含む前記少なくとも１つの凸型の段差の頂部は、前記金属板の前記一面に対して平行な接触面を含み、
   前記別の導体の前記他端は、前記別の導体の前記接触面と前記金属板の前記一面とが密着することにより前記金属板の前記一面に固定される請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の半導体装置。
9. 前記別の導体は、
   前記別の導体の前記一方面の前記少なくとも１つの凸型の段差に対応する他方面における位置に凹型の段差を含む請求項８に記載の半導体装置。
10. 前記別の導体は、
    前記別の導体の前記接触面に設けられた貫通孔を含む請求項８または請求項９に記載の半導体装置。
11. 前記別の導体の前記接触面は、
    前記別の導体の前記接触面に設けられた前記貫通孔の外周に連続的に沿って、前記金属板の前記一面に密着する請求項１０に記載の半導体装置。
12. 金属板と、表面に設けられる第１電極と裏面に設けられる第２電極とを含み前記第２電極が前記金属板に接続されて前記金属板上に保持される半導体素子と、互いに対面する第１面および第２面を含む配線板と、板状の形状を有する導体と、を準備し、
    前記配線板の前記第１面を前記半導体素子の前記第１電極に対面して接続し、
    前記導体の一端を外部に接続可能に配置し、かつ、前記導体の他端の一方面側を前記配線板の前記第２面に固定して、前記半導体素子の前記第１電極に前記導体を配線し、
    前記導体は、前記他端の前記一方面に少なくとも１つの凸型の段差を含み、
    前記導体が含む前記少なくとも１つの凸型の段差の頂部は、接触面を含み、
    前記導体の前記他端の前記一方面側を前記配線板の前記第２面に固定する際、
    前記接触面が前記配線板の前記第２面に対して平行に接触するよう前記導体を載置し、
    前記導体の前記接触面と前記配線板の前記第２面とをレーザ接合して密着させ、前記導体の前記他端を前記配線板の前記第２面に固定する半導体装置の製造方法。
13. 前記導体は、
    前記一方面の前記少なくとも１つの凸型の段差に対応する他方面における位置に凹型の段差を含む請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
14. 前記導体は、
    前記導体の前記接触面に設けられた貫通孔を含む請求項１２または請求項１３に記載の半導体装置の製造方法。
15. 前記貫通孔の外周に連続的に沿って、前記配線板の前記第２面に前記導体の前記接触面をレーザ接合して密着させる請求項１４に記載の半導体装置の製造方法。
16. 前記導体の前記接触面と前記配線板の前記第２面とをレーザ接合する際、
    ファイバーレーザから発振される波長５００ｎｍから１２００ｎｍのレーザによってレーザ接合する請求項１２から請求項１５のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
17. 前記配線板の前記第１面と前記半導体素子の前記第１電極とを、または、前記金属板と前記半導体素子の前記第２電極とを、接合材を介して接続し、
    前記接合材は、ＡｇもしくはＣｕを含む焼結材が焼結して形成され、または、Ｓｎを含むインサート材が液相拡散接合して形成される請求項１２から請求項１６のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
18. 前記半導体素子の前記第１電極と、前記導体を固定する前記配線板との間に、金属からなる少なくとも１つの接続板をさらに接続する請求項１２から請求項１６のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
19. 前記接続板と前記半導体素子の前記第１電極とを、または、前記接続板と前記配線板とを、接合材を介して接続し、
    前記接合材は、ＡｇもしくはＣｕを含む焼結材が焼結して形成され、または、Ｓｎを含むインサート材が液相拡散接合して形成される請求項１８に記載の半導体装置の製造方法。
20. 板状の形状を有し、前記導体とは異なる別の導体をさらに準備し、
    前記別の導体の一端を外部に接続可能に配置し、かつ、前記別の導体の他端の一方面側を前記金属板の一面に固定して、前記半導体素子の前記第２電極に前記別の導体を配線し
    前記別の導体は、前記別の導体の前記他端の前記一方面に、少なくとも１つの凸型の段差を含み、
    前記別の導体が含む前記少なくとも１つの凸型の段差の頂部は、前記金属板の前記一面に接触する接触面を含み、
    前記別の導体の前記他端の前記一方面側を前記金属板の前記一面に固定する際、
    前記別の導体の前記接触面が前記金属板の前記一面に対して平行に接触するよう前記別の導体を載置し、
    前記別の導体の前記接触面と前記金属板の前記一面とをレーザ接合して密着させ、前記別の導体の前記他端を前記金属板の前記一面に固定する請求項１２から請求項１９のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
21. 前記別の導体は、
    前記別の導体の前記一方面の前記少なくとも１つの凸型の段差に対応する他方面における位置に凹型の段差を含む請求項２０に記載の半導体装置の製造方法。
22. 前記別の導体は、
    前記別の導体の前記接触面に設けられた貫通孔を含む請求項２０または請求項２１に記載の半導体装置の製造方法。
23. 前記別の導体の前記接触面に設けられた前記貫通孔の外周に連続的に沿って、前記金属板の前記一面に前記別の導体の前記接触面をレーザ接合して密着させる請求項２２に記載の半導体装置の製造方法。
24. 前記別の導体の前記接触面と前記金属板の前記一面とをレーザ接合する際、
    ファイバーレーザから発振される波長５００ｎｍから１２００ｎｍのレーザによってレーザ接合する請求項２０から請求項２３のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。

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