JP4471555B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置のワイヤレス構造において、半導体素子表面に形成された電極に導電板を固着時等における振動から半導体素子を保護する構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の電力用半導体チップの実装構造、中でもチップの表面電極と外部電極との接続方法としてはワイヤボンディング法がある。しかし、ワイヤボンディング法による接続では、個々の金属細線の断面積が小さい為に電流容量に制限があり、また、電気抵抗も大きく、電流容量の確保、電気抵抗の低減が達成できないという問題があった。
【0003】
そこで、最近での電力用半導体チップの実装構造では、上述の問題に対処すべく、チップの表面電極と外部電極との接続方法としては導電板を半田により接続する方法が用いられている。そして、この方法により形成される構造の一例として、図5に示した構造がある。以下に、図5を参照にして説明する。
【0004】
図示の如く、例えば、Cuフレームのアイランド1上に導電ペースト(図示せず)等を介して半導体素子2が固着されている。この半導体素子2表面には周端部を覆うシリコン窒化膜(SiN)3より内側に、例えば、ゲート電極4およびソース電極5が形成されている。そして、このソース電極5には、例えば、銅板から成る導電板6によりソース電極5とCuフレームのポスト7とを電気的に接続している。一方、ゲート電極4には、例えば、金属細線8によりゲート電極4とCuフレームのポスト9とを電気的に接続している。
【0005】
そして、従来における構造では、図6に示す如く導電板6を用いている。先ず、図6(A)は導電板6の側面図を示している。図示の如く、従来での導電板6はソース電極5と固着する領域61、ポスト7と固着する領域62およびその両者間の領域63においても全て均一な厚みで形成されている。また、図6(B)は導電板6の上面図を示している。図示の如く、従来での導電板6は、均一な厚み、かつ、長方形に形成された銅板をプレス加工することで所望の形状に構成されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来における電力用半導体チップの実装構造では、図6(A)、(B)に示す如く形状に加工された導電板6により、ソース電極5とCuフレームのポスト7とを電気的に接続している。そのため、ソース電極5上では半田により導電板6が固着されているので、金属細線をワイヤボンディングする場合と比較して、ワイヤボンディング法による半導体素子2への上述した悪影響を大幅に抑制できるというメリットはある。
【0007】
しかしながら、上述した従来での電力用半導体チップの実装構造では、導電板6が一定の厚みを有して形成されており、また、銅板から形成されている。そのことで、例えば、実装工程においてポスト7側で発生した振動が導電板6を介して半導体素子2へと直接伝わってしまう。つまり、導電板6は強固であり、緩衝板としての機能を果たすことがないので、振動が直接半導体素子へと伝わり故障の原因となるという問題があった。
【0008】
また、上述したように、導電板6は半田を介してソース電極5と固着されている。そして、図示の如く、ソース電極5と固着する導電板の接続領域61には、半田の固着時での半田内の空気を逃がすための構造が形成されていない。そのため、半田の固着時での空気が、また、半田ペーストの場合は気化したフラックスが半田内に残存しボイドが発生するという問題があった。更に、導電板6は銅板から形成されているので、半田が導電板6周辺へとしみ出しが無い場合は、導電板6の実装後における接続状態の目視による確認ができないという問題があった。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上述した各事情に鑑みて成されたものであり、本発明の半導体装置は、少なくとも1つの主表面を有し、前記主表面には絶縁層を有し前記絶縁層に少なくとも2つ設けられた孔から一部を露出する電流通過電極および制御電極とを有する半導体素子と、前記半導体素子外部に設けられた前記電流通過電極の取り出し導電領域と、前記電流通過電極と前記取り出し導電領域とを電気的に接続する導電板とを具備し、前記導電板は少なくとも前記主表面の電流通過電極と導電材を介して接続する第1の接続領域と、前記取り出し導電領域と導電材を介して接続する第2の接続領域とを有し、前記主表面上に固着される前記第1の接続領域には前記導電板を貫通する孔が少なくとも1つ形成されていることを特徴とする。
【0010】
また、本発明の半導体装置は、少なくとも1つの主表面を有し、前記主表面には絶縁層を有し前記絶縁層に少なくとも2つ設けられた孔から一部を露出する電流通過電極および制御電極とを有する半導体素子と、前記半導体素子外部に設けられた前記電流通過電極の取り出し導電領域と、前記電流通過電極と前記取り出し導電領域とを電気的に接続する導電板とを具備し、前記導電板は少なくとも前記主表面の電流通過電極と導電材を介して接続する第1の接続領域と、前記取り出し導電領域と導電材を介して接続する第2の接続領域と、前記第1の接続領域と前記第2の接続領域との間に前記導電材と接触しない不実装領域とを有し、前記不実装領域の板厚は前記第1および第2の接続領域の板厚よりも薄いことを特徴とする。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の半導体装置である電力用半導体素子の実装構造について、図1〜図4を参照にして詳細に説明する。
【0012】
先ず、図1は、本発明の1実施の形態である半導体装置の斜視図である。図示の如く、本発明の半導体装置では、例えば、半導体素子21としてMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Filed Effect Transister)が用いられた場合について説明する。尚、図1では半導体素子21等が実装されたCuフレームの一部のみを図示しており、後工程において絶縁性樹脂により封止され、個々の半導体装置に分割されるものとする。
【0013】
具体的には、例えば、Cuフレームのアイランド27上に、例えば、半田等の導電ペースト(図示せず)を介して半導体素子21が固着されている。半導体素子21表面には絶縁層としてシリコン酸化膜層(図示せず)、シリコン窒化膜(SiN)層23等が形成されている。本実施の形態では、例えば、アルミニウム(Al)から成るゲート電極22、ソース電極24の酸化防止、耐湿性向上等が考慮され、電極22、24上にはSiN層23が形成されている。そして、このSiN層23には2つの孔28、29が形成され、孔28を介してソース電極24が形成されており、孔29を介してゲート電極22が形成されている。
【0014】
そして、本実施の形態では、ゲート電極22では、例えば、金属細線26によりゲート電極22とCuフレームのポスト31とを電気的に接続している。一方、ソース電極24側は、例えば、銅板から成る導電板25によりソース電極24とCuフレームのポスト30とを、例えば、半田により電気的に接続している。そのため、図示はしていないが、本実施の形態では、ソース電極24表面には、以下に説明する4層の表面層が形成されている。第1層目はソース電極24であるAl層との接着性等が考慮され、例えば、Ti層が50〜150Å程度堆積されている。次に、第2層目は、このTi層上に半田の侵食防止、半田との接合性等が考慮され、例えば、Ni層が150〜250Å程度堆積されている。第3層目は、第2層目と同様に、半田の侵食防止、半田との接合性等が考慮され、例えば、Cu層が1000〜2000Å程度堆積されている。最後に、第4層目は、半田の濡れ性、Cu層の酸化防止等が考慮され、例えば、Au層が500〜1500Å程度堆積されている。また、第4の金属層としてはPd層やPt層でもよい。そして、第2層目と第3層目とが逆になった構造でも良い。一方、Cuフレームのポスト30表面には、半田との接着性を考慮して銀メッキや金メッキが施されている場合もある。尚、このソース電極24の表面構造はその1例であり、この構造に限定するものではなく、その他、半田との接着性等を考慮して種々の表面構造が可能である。
【0015】
最後に、Cuフレームのアイランド27からはドレイン端子32が形成され、Cuフレームのポスト30、31からはそれぞれソース端子33、ゲート端子34が形成されている。そして、上述したように、これらのドレイン端子32、ソース端子33およびゲート端子34は絶縁性樹脂からなる樹脂封止体(図示せず)から外部リード(図示せず)として導出する。
【0016】
そして、本発明の半導体装置の第1の特徴は、図2に示す如く、導電板25の厚みを変えて形成し、導電板25の厚みの薄い部分を緩衝板としても利用することである。そして、図2(A)は本発明の第1の実施の形態である導電板25の側面図であり、図2(B)は本発明の第2の実施の形態である導電板25の側面図である。
【0017】
先ず、図2(A)に示す如く、本発明の導電板25はソース電極24と半田を介して固着する第1の接続領域251、Cuフレームのポスト30と半田を介して固着する第2の接続領域252およびその2者間に位置する不実装領域253から成る。上述したように、導電板25は銅板から成るため金属細線等と比較して強固であるが、図示の如く、不実装領域253の厚みt2を薄く形成することで、強固であることに対処する。つまり、第1の接続領域251および第2の接続領域252の厚みt1に対して不実装領域253の厚みt2はt1>t2の関係で形成されている。本実施の形態では、導電板25は厚みt1、t2の2つの厚みを有して形成されている。
【0018】
そして、第1の接続領域251、第2の接続領域252は半田によりそれぞれソース電極24、Cuフレームのポスト30に固定されている。しかし、不実装領域253は半田を介して任意の構成部材にも固定されておらず、ある程度の自在性を有している。この構造により、厚みt2で薄く形成した不実装領域253は、例えば、ポスト30が位置するCuフレーム側に振動が掛かりその振動が導電板25に伝わると、この不実装領域253が変形する。そのことで、ポスト30が位置するCuフレーム側で発生した振動は、導電板25を介して半導体素子21へ伝わることを大幅に抑制することができる。その結果、導電板25の不実装領域253は緩衝板としての役割を果たし、振動による半導体素子21の故障を大幅に抑制することができる。
【0019】
次に、図2(B)に示す如く、本発明における半導体装置では、図2(A)の導電板25の不実装領域253に切り欠き35を形成することで、緩衝板としての役割を果たすことに特徴がある。
【0020】
本発明の半導体装置では、上述したように、導電板25によりソース電極24とCuフレームのポスト30とを電気的に接続している。そして、導電板25の厚みは、使用される半導体素子21の特性に応じてその厚みは決定される。そのため、本発明の半導体装置に用いられる半導体素子21が電流容量の小さい場合では不実装領域253を薄く形成することができる。その結果、上述の如く、不実装領域253のみで緩衝板の働きを担うことができる。
【0021】
しかし、IGBT(Insulated−Gate−Bipolar−Transistor)チップやパワーMOSトランジスタチップのように半導体素子21の電流容量が大きい場合には、不実装領域253を薄く形成することにも限界がある。この場合では、上述したように、Cu板から成る導電板25は強固な状態となり緩衝板としての役割を果たすことが難しくなる。そこで、本発明の半導体装置では、不実装領域253に少なくとも1つの切り欠き部35を設けている。そのことで、ポスト30が位置するCuフレーム側で発生した振動は、この切り欠き部35を利用して不実装領域253が伸縮することで緩衝されることが可能となる。その結果、図2(A)の構造と同様に、ポスト30が位置するCuフレーム側で発生した振動は、導電板25を介して半導体素子21へ伝わることを大幅に抑制することができる。そして、導電板25の不実装領域253は緩衝板としての役割を果たし、振動による半導体素子21の故障を大幅に抑制することができる。
【0022】
尚、本実施の形態では、厚みt1、t2の2つの厚みを有する場合について説明したが特に限定する必要はなく、緩衝板としての役割を果たす範囲内で任意の変更は可能である。また、薄く形成した不実装領域253に切り欠き35を形成することもでき、より緩衝板としての効果を向上させることができる。
【0023】
次に、本発明の半導体装置の第2の特徴は、図3に示す如く、ソース電極24と接続する導電板25の領域に貫通する孔を設けることで、半田のボイドの発生を抑制することである。そして、図3(A)は、図1に示した導電板の側面図である。図3(B)は、図1に示した導電板での第1の実施の形態の上面図である。図3(C)は、図1に示した導電板での第2の実施の形態の上面図である。
【0024】
尚、図3に示す導電板25も、図2に示した導電板25と基本的構造は同様である。そのため、導電板25の構造は図2での説明を参照とし、ここではその説明を割愛する。そして、図2と同様な構成部分の番号は同じ番号を符すこととする。そして、図3(A)に示す如く、不実装領域253の厚みは厚い形状であるt1であっても、薄い形状であるt2であっても、以下に説明する本実施の形態を採用することができる。
【0025】
図3(B)に示す如く、ソース電極24と接続する第1の接続領域251には、例えば、この導電板25を貫通する孔36が少なくとも1つ形成されている。そして、第1の接続領域251は半田を介してソース電極24と固着するが、この際、半田内には空気が取り込まれる。また、半田ペーストを用いて第1の接続領域251とソース電極24とを固着する際には、半田ペースト内に含まれるフラックスが気化し、半田内に含まれる。そのため、従来の導電板6(図5参照)のように導電板6を貫通する孔等が形成されていないと、上記した空気等が半田内に残存しボイドの発生要因となっていた。
【0026】
しかし、本発明の導電板25では、ソース電極24と接続する導電板25の第1の接続領域251に導電板25を貫通する孔36を設けることで、上述した半田内の空気等を固着の際に、同時に外部へ除去することができる。つまり、第1の接続領域251とソース電極24とを固着する際、半田内の空気等は導電板25の端部から外部へ除去される他、孔36を介しても外部へ除去することができる。特に、孔36を第1の接続領域251の中央領域に形成することで、半田内に残存し易い空気等を確実に除去することができる。そのことで、硬化後の半田内へのボイドの発生を大幅に抑制することができ、半導体装置の破損の要因を無くすことができる。例えば、このボイドが発生した状態で電圧が印加されると、絶縁破壊現象を起こしたりする等の問題が発生する。
【0027】
また、図3(B)に示す如く、第1の接続領域251に形成された孔36は、半田が硬化した後の接続状態を目視で確認するための領域および半田量調整領域としても用いることができる。
【0028】
図4(A)に示す如く、第1の接続領域251とソース電極24とを固着する際に、半田量が適量供給された状態で実装工程が行うことができれば、導電板25から適量な半田38がはみ出した状態となる。そして、第1の接続領域251とソース電極24とが、常に、図示の如く状態で固着されていれば、導電板25からはみ出した半田38を目視で観察することができる。そのことで、半田の接続状況を目視で確認することができる。
【0029】
しかし、図4(B)に示す如く、実装工程における半田の供給量が少なく二点鎖線で示した領域において、第1の接続領域251とソース電極24とが固着している場合がある。この場合、第1の接続領域251とソース電極24とが固着した後に、半田38の接続状況を目視で確認することができない。また、どの領域で第1の接続領域251とソース電極24とが固着しているかも目視で確認することができない。そこで、本発明の導電板25には、第1の接続領域251に貫通した孔36を有することで、実装後、孔36内の半田38を観察することができる。そのことで、孔36内に位置する半田38を目視で確認することができ、少なくとも第1の接続領域251の孔36の周辺領域においては第1の接続領域251とソース電極24とが固着していることを確認することができる。
【0030】
更に、図示はしていないが、実装工程における半田の供給量が多すぎた場合は、半田は導電板25領域から過剰にはみ出してしまう。しかし、本発明の導電板25には、第1の接続領域251に貫通した孔36を有することで、この孔36内に半田が吸い寄せられることで、導電板25からの半田の過剰なはみ出しを抑制することができる。
【0031】
上述した効果を得るための構造は、図3(B)に示した構造に限定されず、例えば、図3(C)に示す如く、導電板25の第1の接続領域251を横断するように導電板を貫通した溝37を形成した構造でも良い。また、溝37は第1の接続領域251を横断する必要はなく、第1の接続領域251内にその端部を有しても良い。また、ポスト30側の第2の接続領域252でも同様な構造を形成することで、同等な効果を得ることができる。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
【0032】
また、本実施の形態では、半導体素子としてMOSFETを用いた場合について説明したが、ダイオード素子、IGBT素子等の表面電極構造を有する素子においても、同様な構造を形成することができる。
【0033】
【発明の効果】
第1に、本発明の半導体装置では、半導体素子のソース電極とその外部に設けられたソース電極用のポストとを半田を介して導電板で電気的に接続している。そして、導電板は銅板から成るため金属細線等よりも強固であるが、導電板のソース電極、ポストと固着しない領域を薄く形成していることに特徴を有する。そのことで、実装工程等でポスト側で発生した振動が導電板に伝わると、任意の部材とも固着されず、ある程度の自在性を有するこの薄い領域を変形させることができる。その結果、上記薄い領域が緩衝板としての役割を果たし、半導体素子へ振動が伝わるのを大幅に抑制することができる。
【0034】
第2に、本発明の半導体装置では、上述した第1の効果での導電板の薄い領域に、少なくとも1つの切り欠き部を形成することに特徴を有する。そのことで、使用する半導体素子等により薄い部分を有する導電板を用いることができない場合でも、この切り欠き部が形成された領域で緩衝効果を果たすことができる。また、薄く形成された導電板に切り欠き部を形成することで、より緩衝効果を向上させることができる。
【0035】
第3に、本発明の半導体装置では、半導体素子上のソース電極と固着する導電板の接続領域に導電板を貫通する孔を設けることに特徴を有する。そのことで、実装時の半田内の空気をこの孔介して外部に除去することができ、半田内のボイドの発生を抑制することができる。また、この孔を介して硬化後の半田の接続状況等を目視で確認することもできる。更に、実装時に、半田が過剰に供給された場合は、孔内に半田が吸い込まれることで半田量を調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体装置を説明するための斜視図である。
【図2】本発明の半導体装置に用いる導電板を説明するための(A)側面図(B)側面図である。
【図3】本発明の半導体装置に用いる導電板を説明するための(A)側面図(B)上面図(C)上面図である。
【図4】本発明の半導体装置に用いる導電板の接続状態を説明する(A)上面図(B)上面図である。
【図5】従来の半導体装置を説明するための斜視図である。
【図6】従来の半導体装置の導電板を説明するための(A)側面図(B)上面図である。
【符号の説明】
21 半導体素子
24 ソース電極
25 導電板
251 第1の接続領域
252 第2の接続領域
253 不実装領域
30、31 ポスト
36 孔
37 溝
Claims (6)
- 少なくとも1つの主表面を有し、前記主表面には絶縁層を有し前記絶縁層に少なくとも2つ設けられた孔から一部を露出する電流通過電極および制御電極とを有する半導体素子と、
前記半導体素子外部に設けられた前記電流通過電極の取り出し導電領域と、
前記電流通過電極と前記取り出し導電領域とを電気的に接続する導電板とを具備し、
前記導電板は、少なくとも前記主表面の電流通過電極と導電材を介して接続する第1の接続領域と、前記取り出し導電領域と導電材を介して接続する第2の接続領域と、前記第1の接続領域と前記第2の接続領域との間における不実装領域とを有し、前記第1の接続領域と前記不実装領域とは高低差が生じるように段差部によって接続され、
前記第1の接続領域には、前記導電板を貫通する孔が少なくとも1つ形成されており、
前記孔は、前記第1の接続領域と前記不実装領域との間に延在するとともに前記段差部を分割して前記不実装領域まで到達するように形成されること、を特徴とする半導体装置。 - 前記孔は前記第1の接続領域の端部から前記第1の接続領域を分割するように形成されていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記不実装領域の板厚は前記第1および第2の接続領域の板厚よりも薄いことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体装置。
- 前記導電板の不実装領域には少なくとも1つ以上の切り欠き部が形成されていることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記導電材は半田であることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記導電板は銅板であることを特徴とする請求項5記載の半導体装置。
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