JP6274019B2

JP6274019B2 - 半導体装置及びその製造方法

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Publication number: JP6274019B2
Application number: JP2014114631A
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Inventors: 岡　誠次; 誠次岡; 玲奈河原
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-06-03
Filing date: 2014-06-03
Publication date: 2018-02-07
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Description

本発明は、半導体装置における半導体素子と端子との接続に関するものである。

従来の半導体装置において、半導体素子と端子とを接続する技術として、第１の金属フォイルと電気絶縁フォイルと第２の金属フォイルとを備える連続層から形成された接続装置を配線に使用する技術があった（例えば、特許文献１参照）。半導体素子に相当するパワー半導体コンポーネント及び端子に相当する負荷端子要素と当該接続装置を接合し、半導体素子と端子とを電気的に接続する技術である。

さらに、負荷端子要素が接合された接続装置は、負荷端子要素との接触領域が、基板表面によって形成された平面に対して直角に位置するように曲げられる。その後、負荷端子要素は基板を囲むハウジングに接続される。このハウジングは、一般的に熱伝導性の低い絶縁性材料から成る。

特開２０１０−２８７８８７号公報

このような半導体装置にあっては、負荷端子要素が熱伝導性の低いハウジングへ接続されているため、半導体素子から生じる熱を端子を通して放熱することが困難である。また、半導体素子の最大使用電流は、半導体素子表面の温度に依存する。そのため、半導体素子から生じる熱を上手く放熱できなければ、半導体素子表面の温度を下げられず、半導体素子の最大使用電流を上げることが困難であるという問題点があった。

本発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、半導体素子から生じる熱を効率良く放熱し、放熱性を向上させた半導体装置を提供することを目的とする。

本発明にかかる半導体装置は、絶縁部の一方の面上に、第１導体部と、第２導体部と、第４導体部と、が形成された基板と、第１導体部上に配置された半導体素子と、第２導体部上に配置された端子と、第４導体部上に配置されたゲート端子と、半導体素子、端子及びゲート端子と接合された接続装置と、を備え、半導体素子は、第１導体部と接合された第１接続面と、第１接続面と向かい合う第２接続面と、第２接続面上に、第１電極と、第２電極と、を有し、接続装置は、絶縁層と、絶縁層の一方の面上に、第１金属層と、第２金属層と、を備え、第１金属層は、端子及び第１電極と接合され、第２金属層は、ゲート端子及び第２電極と接合されたものである。

本発明にかかる半導体装置によれば、端子が絶縁性材料より熱伝導性の高い基板上にあることで、端子へ伝導した半導体素子から生じる熱を、基板から放熱することができる。これにより、半導体素子表面の温度を下げることができ、半導体素子の最大使用電流を上げることが可能となる。

本発明の実施の形態１にかかる半導体装置１を示す平面図である。本発明の実施の形態１にかかる半導体装置１を示す断面図である。本発明の実施の形態１にかかる半導体装置１が構成している回路図である。本発明の実施の形態１にかかる半導体装置１の接続装置５を省略した平面図である。本発明の実施の形態１にかかる半導体装置１における接続装置５を示す平面図である。本発明の実施の形態１にかかる半導体装置１の製造方法の工程を示す平面図である。本発明の実施の形態１にかかる半導体装置１の製造方法の工程を示す断面図である。本発明の実施の形態１にかかる半導体装置１の製造方法の工程を示す平面図である。本発明の実施の形態１にかかる半導体装置１の製造方法の工程を示す断面図である。本発明の実施の形態２にかかる半導体装置１を示す平面図である。本発明の実施の形態２にかかる半導体装置１を示す断面図である。本発明の実施の形態２にかかる半導体装置１における接続装置５を示す平面図である。本発明の実施の形態３にかかる半導体装置１における接続装置５を示す平面図である。本発明の実施の形態４にかかる半導体装置１の断面図である。本発明の実施の形態４にかかる半導体装置１における接続装置５を示す平面図である。本発明の実施の形態５にかかる半導体装置１の断面図である。本発明の実施の形態５にかかる半導体装置１における接続装置５を示す平面図である。本発明の実施の形態６にかかる半導体装置１の断面図である。本発明の実施の形態７にかかる半導体装置１の断面図である。本発明の実施の形態７にかかる半導体装置１における接続装置５を示す平面図である。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１にかかる半導体装置１の構成を説明する。図１は、本発明の実施の形態１にかかる半導体装置１の平面図であり、図２は本発明の実施の形態１にかかる半導体装置１の断面図である。図２は図１のＡ‐Ａ断面における断面図に相当する。図１及び図２において、半導体装置１は、基板２と、基板２上に配置された半導体素子及び端子と、半導体素子及び端子と接合される接続装置５と、を備えている。

まず、図１及び図２における基板２の構成について説明する。基板２は絶縁部２１の一方の面上に、第１導体部２２と、第２導体部２３と、第３導体部２４と、第４導体部２５と、が形成されていている。第１導体部２２、第２導体部２３、第３導体部２４及び第４導体部２５それぞれの下面が、絶縁部２１と接合された状態である。

絶縁部２１は、無機材料であるセラミックス、例えばアルミナ（ａｌｕｍｉｎｕｍｏｘｉｄｅ）や窒化アルミ（ａｌｕｍｉｎｕｍｎｉｔｒｉｄｅ）、窒化ケイ素（ｓｉｌｉｃｏｎｎｉｔｒｉｄｅ）から成るが、有機材料、例えばエポキシ樹脂やポリイミド樹脂やシアネート系樹脂などに、セラミックスフィラー、例えばアルミナ（ａｌｕｍｉｎｕｍｏｘｉｄｅ）や窒化アルミ（ａｌｕｍｉｎｕｍｎｉｔｒｉｄｅ）、窒化ホウ素（ｂｏｒｏｎｎｉｔｒｉｄｅ）などを充填したものであってもよい。第１導体部２２、第２導体部２３、第３導体部２４及び第４導体部２５は金属から成り、好ましくは銅が用いられる。

次に、図１及び図２における半導体素子について説明する。本発明の実施の形態１における半導体素子としては、ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）３１及びダイオード３２が用いられるが、ＭＯＳＦＥＴ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などを用いても良い。ＩＧＢＴ３１及びダイオード３２は、第１導体部２２上に配置されている。ＩＧＢＴ３１は、第１導体部２２と接合された第１接続面３１１と、第１接続面３１１と向かい合う第２接続面３１２と、第２接続面３１２上に、第１電極３１２１と、第２電極３１２２と、を有する。

次に、図１及び図２における端子について説明する。本発明の実施の形態１における端子としては、交流出力端子４１、ゲート端子４２ａ、エミッタ端子４２ｂ、正極端子４３ａ及び負極端子４３ｂがある。交流出力端子４１は第２導体部２３上に、ゲート端子４２ａ及びエミッタ端子４２ｂは第４導体部２５上に、正極端子４３ａは第１導体部２２上に、負極端子４３ｂは第３導体部２４上に配置されている。

ここで、交流出力端子４１は、半導体装置１によって直流から交流へ変換された電流を外部へ取り出し、モーターなどの負荷につながる。ゲート端子４２ａ及びエミッタ端子４２ｂは、ＩＧＢＴ３１を制御するための信号の入出力を行う。正極端子４３ａ及び負極端子４３ｂは、半導体素子に電圧をかける直流電源をつなぐ。端子は、金属から成り、好ましくは銅が用いられる。

次に、図１及び図２における接続装置５の構成について説明する。接続装置５は、絶縁層５１の一方の面上に、第１金属層５２と、第２金属層５３と、が形成されている。第１金属層５２及び第２金属層５３のそれぞれの上面は、絶縁層５１と接合されている。

図３は、本発明の実施の形態１にかかる半導体装置１が構成している回路図である。ＩＧＢＴ３１ａとダイオード３２ａとを逆並列接続した上アームと、ＩＧＢＴ３１ｂとダイオード３２ｂとを逆並列接続した下アームとを直列接続した構成を１相として、これが３つ接続された３相電圧形インバータ回路であり、本発明の実施の形態１の半導体装置１が構成できる回路の例である。ここで、ＩＧＢＴ３１は、ＩＧＢＴ３１ａ及ＩＧＢＴ３１ｂを総称し、ダイオード３２は、ダイオード３２ａ及びダイオード３２ｂを総称している。

図４は、本発明の実施の形態１にかかる半導体装置１において、接続装置５を省略した平面図である。絶縁部２１の一方の面上に、第１導体部２２と、第２導体部２３と、第３導体部２４と、第４導体部２５と、が形成されていている。第１導体部２２上には、ＩＧＢＴ３１ａ及びダイオード３２ａが配置されている。第２導体部２３上にはＩＧＢＴ３１ｂ及びダイオード３２ｂが配置されている。第２導体部２３上に交流出力端子４１、第４導体部２５上にゲート端子４２ａ及びエミッタ端子４２ｂ、第１導体部２２上に正極端子４３ａ、第３導体部２４上に負極端子４３ｂが配置されている。

図５は、本発明の実施の形態１にかかる半導体装置１における接続装置５の平面図である。図５における接続装置５の構成について説明する。図５における接続装置５は、図４で示すように配置された半導体素子を図３の回路を構成するように接続する。接続装置５は、図１及び図２で示した絶縁層５１の一方の面上に、第１金属層５２と、第２金属層５３と、の他に、第４金属層５５と、第５金属層５６と、第６金属層５７が形成されている。第１金属層５２、第２金属層５３、第４金属層５５、第５金属層５６及び第６金属層５７それぞれの上面は、絶縁層５１と接合されている。

図５では、第１金属層５２、第２金属層５３、第４金属層５５、第５金属層５６及び第６金属層５７は、絶縁層５１の一方の面上に選択的に形成されている。

具体的には、第１金属層５２は、ＩＧＢＴ３１ａの第１電極３１２１と、ダイオード３２ａと、交流出力端子４１とを電気的に接続するように形成され、下面がそれぞれに接合されている。第２金属層５３は、ＩＧＢＴ３１ａの第２電極３１２２と、ゲート端子４２ａとを電気的に接続するように形成され、下面がそれぞれに接合されている（図２参照）。以下は図示しないが、第４金属層５５は、ＩＧＢＴ３１ａの第１電極３１２１と、エミッタ端子４２ｂとを電気的に接続するように形成され、下面がそれぞれに接合されている。第５金属層５６は、ＩＧＢＴ３１ｂの第１電極３１２１と、ダイオード３２ｂと、第３導体部２４と、エミッタ端子４２ｂとを電気的に接続するように形成され、下面がそれぞれに接合されている。第６金属層５７は、ＩＧＢＴ３１ｂの第２電極３１２２と、ゲート端子４２ａを電気的に接続するように形成され、下面がそれぞれに接合されている。

絶縁層５１は、ポリイミド又はポリイミドアミド若しくは熱可塑樹脂、例えばポリエチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）やポリエーテルエーテルケトン（ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｅｔｈｅｒｋｅｔｏｎｅ）などから成り、半導体素子の発熱温度に十分耐えられるものが好ましい。厚みとしては、加工のしやすさから、１０μｍから１００μｍの範囲が好ましい。

第１金属層５２、第２金属層５３、第４金属層５５、第５金属層５６及び第６金属層５７は、金属から成り、好ましくはアルミニウム又は銅から成る。厚みとしては、加工のしやすさから、２００μｍから６００μｍの範囲が好ましい。第１金属層５２、第２金属層５３、第４金属層５５、第５金属層５及び第６金属層５７それぞれと、絶縁層５１は、接着剤を用いた接合又は熱及び圧力をかけた接合により接合されている。

次に、本発明の実施の形態１における半導体装置１の製造方法について説明する。図６及び図８は、本発明の実施の形態１にかかる半導体装置１の製造方法の工程を示す平面図である。図７及び図９は、本発明の実施の形態１にかかる半導体装置１の製造方法の工程を示す断面図であり、図７は図６のＡ‐Ａ断面における断面図、図９は図８のＡ‐Ａ断面における断面図に相当する。

まず、図６及び図７に示すように、絶縁部２１の一方の面上に、第１導体部２２と、第２導体部２３と、第３導体部２４と、第４導体部２５と、が形成されていている基板２を準備し、第１導体部２２上及び第２導体部２３上に、ＩＧＢＴ３１及びダイオード３２を配置する。そして、第１導体部２２の上面及び第２導体部２３の上面と、第１接続面３１１とを接合する。また、第１導体部２２上面及び第２導体部２３の上面と、ダイオード３２の下面とを接合する。接合の方法は、接着剤を用いた接着接合又は超音波接合である。接着接合に用いる接着剤としては、はんだ又はナノ銀ペースト若しくは有機接合剤、例えばエポキシ樹脂を含む銀ペーストがある。接着接合を行う場合は、用いる接着剤、第１導体部２２及び第２導体部２３の材料により、必要に応じて以下に述べる面に、ニッケルや金、銀などのめっきを施す。第１導体部２２及び第２導体部２３の上面と、第１接続面３１１と、ダイオード３２の下面である。

次に、図８及び図９に示すように、絶縁部２１の一方の面上に、第１導体部２２と、第２導体部２３と、第３導体部２４と、第４導体部２５と、が形成されている基板２上に、端子を配置し、接合する。第１導体部２２上に正極端子４３ａを、第３導体部２４上に負極端子４３ｂを、第２導体部２３上に交流出力端子４１を、第４導体部２５上にゲート端子４２ａ及びエミッタ端子４２ｂを配置し、接合する。

次に、図５に示すように、絶縁層５１の一方の面上に、第１金属層５２と、第２金属層５３と、第４金属層５５と、第５金属層５６と、第６金属層５７と、が形成されている接続装置５を準備する。そして、図示しないが、第１金属層５２と、第２金属層５３と、第４金属層５５と、第５金属層５６及び第６金属層５７それぞれを半導体素子及び端子に接合する。

具体的には、第１金属層５２の下面は、ＩＧＢＴ３１ａの第１電極３１２１と、ダイオード３２ａの上面と、交流出力端子４１と、接合される。第２金属層５３の下面は、ＩＧＢＴ３１ａの第２電極３１２２と、ゲート端子４２ａと、接合される。第４金属層５５の下面は、ＩＧＢＴ３１ａの第１電極３１２１と、エミッタ端子４２ｂと、接合される。第５金属層５６の下面は、ＩＧＢＴ３１ｂの第１電極３１２１と、ダイオード３２ｂの上面と、第３導体部２４と、エミッタ端子４２ｂと、接合される。第６金属層５７の下面は、ＩＧＢＴ３１ｂの第２電極３１２２と、ゲート端子４２ａと、接合される。

接合の方法としては、接着剤を用いた接着接合又は超音波接合がある。接着接合に用いる接着剤としては、はんだ又はナノ銀ペースト若しくは有機接合剤、例えばエポキシ樹脂を含む銀ペーストがある。接着接合を行う場合は、用いる接着剤、第１金属層５２、第２金属層５３、第４金属層５５、第５金属層５６、第６金属層５７、第３導体部２４及び端子の材料により、必要に応じて以下に述べる面に、ニッケルや金、銀などのめっきを施す。第１金属層５２、第２金属層５３、第４金属層５５、第５金属層５６及び第６金属層５７それぞれの下面と、第２接続面３１２、ダイオード３２の上面と、第３導体部の上面及び端子表面である。

以上より、図１及び図２に示す半導体装置１が完成する。

本発明の実施の形態１では、以上のような構成としたことにより、半導体素子において生じた熱は第１金属層５２、第２金属層５３、第４金属層５５、第５金属層５６又は第６金属層５７へ伝わり、そして交流出力端子４１、ゲート端子４２ａ又はエミッタ端子４２ｂへ伝わる。その後、第２導体部２３又は第４導体部２５へ伝わり、半導体素子で生じる熱は基板２へ効率的に放熱することができる。これにより、放熱性を向上させた半導体装置１を提供することができるという効果がある。

さらに、端子が、第１導体部２２、第２導体部２３、第３導体部２４又は第４導体部２５上に接合されていることにより、従来の半導体装置に比べて半導体装置を小型にすることができるという効果がある。

また、接続装置５が絶縁層５１と、絶縁層５１上に第１金属層５２と、第２金属層５３と、第４金属層５５と、第５金属層５６及び第６金属層５７を備えたことにより、複数の配線材料を一体化して扱うことができる。すなわち、ここでは第１金属層５２と、第２金属層５３と、第４金属層５５と、第５金属層５６及び第６金属層５７に相当するものが絶縁層５１により１つの接続装置５となり、同時に扱うことができる。これにより、半導体装置の生産性を向上させることができるという効果がある。

さらに、第１金属層５２と、第２金属層５３と、第４金属層５５と、第５金属層５６及び第６金属層５７のような層状の金属を半導体素子間及び半導体素子と端子間の配線に用いることにより、配線と半導体素子との接合面積を広くすることができる。これにより、半導体素子表面の電流密度分布を均一化でき、半導体素子表面の温度を均一化できるため、半導体素子表面の温度を下げることができる。したがって、半導体素子の最大使用電流を上げることが可能となる。

実施の形態２．
図１０は本発明の実施の形態２にかかる半導体装置１の平面図であり、図１１は本発明の実施の形態２にかかる半導体装置１の断面図である。図１１は図１０のＡ‐Ａ断面における断面図に相当する。図１２は本発明の実施の形態２にかかる半導体装置１における接続装置５の平面図である。図１０乃至図１２において、図１乃至図９と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。本発明の実施の形態１とは、第１金属層５２、第２金属層５３、第４金属層５５、第５金属層５６及び第６金属層５７のいずれかと、端子の接合方法が相違している。それ以外は、本発明の実施の形態１と同様である。

本発明の実施の形態２では、本発明の実施の形態１と相違する部分について説明し、同一又は対応する部分についての説明は省略する。

本発明の実施の形態１と相違している第１金属層５２、第２金属層５３、第４金属層５５、第５金属層５６及び第６金属層５７のいずれかと、端子との接合方法について説明する。

図１０乃至図１２において、第１金属層５２の交流出力端子４１と接合する部分の上面には、絶縁層５１が付いていない。第１金属層５２の交流出力端子４１との接合は、この絶縁層５１が付いていない部分を第２導体部２３と、交流出力端子４１の間に挟み込んで接合する。すなわち、第２導体部２３の上面に第１金属層５２の下面が接合され、第１金属層５２の上面に交流出力端子４１が接合される。

第２金属層５３のゲート端子４２ａと接合する部分の上面には、絶縁層５１が付いていない。第２金属層５３のゲート端子４２ａとの接合は、この絶縁層５１が付いていない部分を第４導体部２５と、ゲート端子４２ａの間に挟み込んで接合する。すなわち、第４導体部２５の上面に第２金属層５３の下面が接合され、第２金属層５３の上面にゲート端子４２ａが接合される。

第４金属層５５、第５金属層５６いずれかのエミッタ端子４２ｂと接合する部分の上面には、絶縁層５１が付いていない。第４金属層５５、第５金属層５６のいずれかと、エミッタ端子４２ｂとの接合は、この絶縁層５１が付いていない部分を第４導体部２５と、エミッタ端子４２ｂの間に挟み込んで接合する。すなわち、第４導体部２５の上面に第４金属層５５、第５金属層５６のいずれかの下面が接合され、第４金属層５５、第５金属層５６のいずれかの上面にエミッタ端子４２ｂが接合される。また、第６金属層５７のゲート端子４２ａと接合する部分の上面にも、絶縁層５１は付いていない。第６金属層５７とゲート端子４２ａとの接合は、この絶縁層５１が付いていない部分を第４導体部２５と、ゲート端子４２ａの間に挟み込んで接合する。すなわち、第４導体部２５の上面に第６金属層５７の下面が接合され、第６金属層５７の上面にゲート端子４２ａが接合される。

接合の方法としては、接着剤を用いた接着接合又は超音波接合がある。接着接合に用いる接着剤としては、はんだ又はナノ銀ペースト若しくは有機接合剤、例えばエポキシ樹脂を含む銀ペーストがある。接着接合を行う場合は、用いる接着剤、第１金属層５２、第２金属層５３、第４金属層５５、第５金属層５６、第６金属層５７、第１導体部２２、第２導体部２３、第３導体部２４、第４導体部２５及び端子の材料により、必要に応じて以下に述べる面に、ニッケルや金、銀などのめっきを施す。第１金属層５２、第２金属層５３、第４金属層５５、第５金属層５６及び第６金属層５７それぞれの上面及び下面と、第１導体部２２、第２導体部２３、第３導体部２４及び第４導体部２５それぞれの上面と、端子表面である。

本発明の実施の形態２では、以上のような構成としたことにより、半導体素子において生じた熱は第１金属層５２、第２金属層５３、第４金属層５５、第５金属層５６又は第６金属層５７へ伝わり、その後、第１導体部２２、第２導体部２３、第３導体部２４又は第４導体部２５へ伝わる。実施の形態１では、ＩＧＢＴ３１で発生した熱は、例えば第１金属層５２、交流出力端子４１、第２導体部２３を通って基板２へ伝わる。このとき、第１金属層５２と交流出力端子４１の界面、交流出力端子４１と第２導体部２３の界面における熱抵抗が大きい。本実施の形態では、ＩＧＢＴ３１で発生した熱は、交流出力端子４１を介さずに第１金属層５２、第２導体部２３を通って基板２へ伝わるが、熱抵抗が大きいのは第１金属層５２と第２導体部２３の界面のみであり、熱伝導の経路において、熱抵抗が大きくなる領域が減少するため、半導体装置１の放熱性をより向上させることができる。したがって、本発明の実施の形態１よりも放熱性を向上させた半導体装置１を提供することができるという効果がある。

また、端子の配線との接合部面積が、端子の太さ分広くなり、配線と端子間の熱抵抗が減少するので、端子と配線間の接合信頼性が向上するという効果がある。ここで、配線とは第１金属層５２、第２金属層５３、第４金属層５５、第５金属層５６及び第６金属層５７を示している。

実施の形態３．
図１３は、本発明の実施の形態３にかかる半導体装置１における接続装置５を示す平面図である。図１３において、図１乃至図１２と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。本発明の実施の形態１又は実施の形態２とは、第１金属層５２の形状が相違している。それ以外は、本発明の実施の形態１又は実施の形態２と同様である。

本発明の実施の形態３では、本発明の実施の形態１又は実施の形態２と相違する部分について説明し、同一又は対応する部分についての説明は省略する。

本発明の実施の形態１又は実施の形態２と相違している第１金属層５２について説明する。図１３において、第１金属層５２は、半導体素子と接合され二点鎖線で囲まれた第１領域Ｆ１と、交流出力端子４１と接合され破線で囲まれた第２領域Ｆ２と、第１領域Ｆ１と第２領域Ｆ２の間の領域であり点線で囲まれた第３領域Ｆ３を有する。図１３において、第１金属層５２の紙面上で横向きの端から端までの長さを幅とすると、第１領域Ｆ１の幅Ｗ１は、回路の絶縁距離を考慮した上で最大限広くなっている。第２領域Ｆ２の幅Ｗ２又は第３領域Ｆ３の幅Ｗ３は、第１領域Ｆ１の幅Ｗ１より１．１倍以上２倍以下に広くなっている。

図１３において、第５金属層５６は、半導体素子と接合され二点鎖線で囲まれた第５領域Ｆ５と、エミッタ端子４２ｂと接合され破線で囲まれた第６領域Ｆ６と、第５領域Ｆ５と第６領域Ｆ６の間の領域であり点線で囲まれた第７領域Ｆ７及び一点鎖線で囲まれた第８領域Ｆ８を有する。紙面上で横向きに第５金属層５６の端から端までの長さを幅とすると、第５領域Ｆ５の幅Ｗ５は、回路の絶縁距離を考慮して最大限広くなっている。図１３に示すように、第７領域Ｆ７の幅Ｗ７と第８領域Ｆ８の幅Ｗ８を足し合わせた幅が、第５領域Ｆ５の幅Ｗ５よりも１．１倍以上２倍以下に広い箇所があってもよい。

本発明の実施の形態３では、以上のような構成としたことにより、半導体素子において生じる熱を放熱できる配線、ここでは第１金属層５２及び第５金属層５６の表面積が増えたため、半導体素子において生じる熱を効率良く放熱することができ、半導体素子表面の温度を下げることができる。したがって、半導体素子の最大使用電流を上げることが可能となる。

ここで、効率良く放熱するためには、第２領域Ｆ２の幅Ｗ２又は第３領域Ｆ３の幅Ｗ３が、第１領域Ｆ１の幅Ｗ１より１．１倍以上であることが望ましい。また、第２領域Ｆ２の幅Ｗ２又は第３領域Ｆ３の幅Ｗ３が、第１領域Ｆ１の幅Ｗ１より２倍以上の場合、接続装置５が大きくなり、半導体装置が大きくなってしまう。

実施の形態４．
図１４は、本発明の実施の形態４にかかる半導体装置１を示す断面図であり、図１のＡ‐Ａ断面における断面図と対応する。図１５は、本発明の実施の形態４にかかる半導体装置１における接続装置５の平面図である。図１４及び図１５において、図１乃至図１３と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。本発明の実施の形態１乃至実施の形態３のいずれかとは、接続装置５の構成が相違している。それ以外は、本発明の実施の形態１乃至実施の形態３のいずれかと同様である。

本発明の実施の形態４では、本発明の実施の形態１乃至実施の形態３と相違する部分について説明し、同一又は対応する部分についての説明は省略する。

本発明の実施の形態１乃至実施の形態３のいずれかと相違している接続装置５の構成について説明する。接続装置５は、図１４及び図１５に示すように、本発明の実施の形態１乃至実施の形態３と同様に、絶縁層５１の一方の面上に、第１金属層５２と、第２金属層５３と、第４金属層５５と、第５金属層５６及び第６金属層５７が形成されている。第１金属層５２、第２金属層５３、第４金属層５５、第５金属層５６及び第６金属層５７それぞれの上面は、絶縁層５１と接合されている。

第１金属層５２、第２金属層５３、第４金属層５５、第５金属層５６及び第６金属層５７は、本発明の実施の形態１乃至実施の形態３と同様に、絶縁層２１の一方の面上に選択的に形成されている。

また、絶縁層２１、第１金属層５２、第２金属層５３、第４金属層５５、第５金属層５６及び第６金属層５７の材料と厚みは、本発明の実施の形態１乃至実施の形態３と同様である。

第１金属層５２は、半導体素子と接合され二点鎖線で囲まれた第１領域Ｆ１を有する。第２金属層５３は、半導体素子と接合され点線で囲まれた第２０領域Ｆ２０を有する。第４金属層５５は、半導体素子と接合され破線で囲まれた第４０領域Ｆ４０を有する。第５金属層５６は、半導体素子と接合され二点鎖線で囲まれた第５領域Ｆ５を有する。第６金属層５７は、半導体素子と接合され一点鎖線で囲まれた第６０領域Ｆ６０を有する。

図１４及び図１５に示すように、第１金属層５２は、第１領域Ｆ１内に、上面がくぼんだ突起６が形成されており、この突起６は第１電極３１２１と、ダイオード３２の上面と接合されている。第２金属層５３は、第２０領域Ｆ２０内に、上面がくぼんだ突起６が形成されており、この突起６は第２電極３１２２と接合されている。第４金属層５５は、第４０領域Ｆ４０内に、上面がくぼんだ突起６が形成されており、この突起６は第１電極３１２１と接合されている。第５金属層５６は、第５領域Ｆ５内に、上面がくぼんだ突起６が形成されており、この突起６は第１電極３１２１と、ダイオード３２の上面と接合されている。第６金属層５７は、第６０領域Ｆ６０内に、上面がくぼんだ突起６が形成されており、この突起６は第２電極３１２２と接合されている。突起６は機械加工、例えば型押し法により形成される。

図１４及び図１５に示すように、突起６は半導体素子に接着剤を用いた接着接合又は超音波接合される。接着接合に用いる接着剤としては、はんだ又はナノ銀ペースト若しくは有機接合剤、例えばエポキシ樹脂を含む銀ペーストがある。用いる接着剤、第１金属層５２、第２金属層５３、第４金属層５５、第５金属層５６及び第６金属層５７の材料により、必要に応じて以下に述べる面に、ニッケルや金、銀などのめっきを施す。第１金属層５２、第２金属層５３、第４金属層５５、第５金属層５６及び第６金属層５７それぞれが有する突起６の表面、第２接続面３１２、ダイオード３２の上面である。

本発明の実施の形態４では、以上のような構成としたことにより、配線、ここでは第１金属層５２、第２金属層５３、第４金属層５５、第５金属層５６及び第６金属層５７と、半導体素子の線膨張係数の違いによりかかる接合部の、接合界面に沿った伸び縮み等の応力を、突起６の曲り部分が吸収し、応力が緩和されるという効果がある。これにより、配線、ここでは第１金属層５２、第２金属層５３、第４金属層５５、第５金属層５６及び第６金属層５７と、半導体素子との接合信頼性が向上する。

実施の形態５．
図１６は、本発明の実施の形態４にかかる半導体装置１を示す断面図であり、図１のＡ‐Ａ断面における断面図と対応する。図１７は、本発明の実施の形態４にかかる半導体装置１における接続装置５の平面図である。図１６及び図１７において、図１乃至図１５と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。

本発明の実施の形態５は、本発明の実施の形態１乃至実施の形態３のいずれかとは、接続装置５の構成が相違し、本発明の実施の形態４とは突起６の数が相違している。それ以外は、本発明の実施の形態１乃至実施の形態４のいずれかと同様である。本発明の実施の形態５では、本発明の実施の形態４と相違する部分について説明し、同一又は対応する部分についての説明は省略する。本発明の実施の形態１乃至実施の形態３のいずれかとの相違は、本発明の実施の形態４の説明と同一となり、省略する。

図１６及び図１７に示すように、突起６は、第１領域Ｆ１内、第２０領域Ｆ２０内、第４０領域Ｆ４０内、第５領域Ｆ５内、第６０領域Ｆ６内それぞれに２つ以上形成されている。その数及び大きさは、第１金属層５２、第２金属層５３、第４金属層５５、第５金属層５６及び第６金属層５７の材料と、流れる電流容量によって定められる。例えば、第１金属層５２にアルミニウムが用いられ、第１金属層５２に流れる電流容量が２００Ａのとき、突起６の直径が０．５ｍｍであれば、接合される半導体素子ひとつに対して突起６は１２個形成される。

本発明の実施の形態５では、以上のような構成としたことにより、配線、ここでは第１金属層５２、第２金属層５３、第４金属層５５、第５金属層５６及び第６金属層５７と、端子の線膨張係数の違いによりかかる接合部の伸び縮み等の応力を、複数の突起６に分散させることができるため、本発明の実施の形態４よりもさらに緩和することができるという効果がある。これにより、配線、ここでは第１金属層５２、第２金属層５３、第４金属層５５、第５金属層５６及び第６金属層５７と、半導体素子との接合信頼性が、本発明の実施の形態４よりも向上する。

実施の形態６．
図１８は、本発明の実施の形態６にかかる半導体装置１を示す断面図であり、図１のＡ‐Ａ断面における断面図と対応する。図１５において、図１乃至図１４と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。本発明の実施の形態１乃至実施の形態５のいずれかとは、接続装置５の構成が相違している。それ以外は、本発明の実施の形態１乃至実施の形態５と同様である。本発明の実施の形態６では、本発明の実施の形態１乃至実施の形態５のいずれかと相違する部分について説明し、同一又は対応する部分についての説明は省略する。

図１８に示すように、第１金属層５２及び第２金属層５３は、半導体素子と端子との間に、屈曲部７を有する。また、図示しないが、第４金属層５５、第５金属層５６、第６金属層５７も、半導体素子と端子との間に、屈曲部７を有していても良い。屈曲部７の曲げ角度は、直角でなくても良く、１２０度や１３５度などゆるやかであっても良い。また、湾曲した状態であっても良い。屈曲部７は、機械加工、例えば型押し法により形成される。

本発明の実施の形態６では、以上のような構成としたことにより、配線、ここでは第１金属層５２、第２金属層５３、第４金属層５５、第５金属層５６及び第６金属層５７と、端子の線膨張係数の違いによりかかる接合部の、接合界面に沿った伸び縮み等の応力を、屈曲部７が吸収し、応力が緩和するという効果がある。これにより、配線、ここでは第１金属層５２、第２金属層５３、第４金属層５５、第５金属層５６及び第６金属層５７と、端子との接合信頼性が向上する。

実施の形態７．
図１９は、本発明の実施の形態７にかかる半導体装置１を示す断面図である。本発明の実施の形態７にかかる半導体装置１を上面から見たときの平面図は図１と同様な図になり、図１９は、図１のＢ‐Ｂ断面における断面図に対応する。図２０は、本発明の実施の形態７にかかる半導体装置１における接続装置５の平面図である。図１９及び図２０において、図１乃至図１８と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。本発明の実施の形態１乃至実施の形態６のいずれかとは、接続装置５の構成が相違している。それ以外は、本発明の実施の形態１乃至実施の形態６のいずれかと同様である。

本発明の実施の形態７では、本発明の実施の形態１乃至実施の形態６のいずれかと相違する部分について説明し、同一又は対応する部分についての説明は省略する。

本発明の実施の形態１乃至実施の形態６のいずれかと相違している接続装置５の構成について説明する。接続装置５は、図１９及び図２０に示すように、絶縁層５１の一方の面上に、第１金属層５２と、第２金属層５３と、第３金属層５４と、第４金属層５５と、第５金属層５６及び第６金属層５７が形成されている。第１金属層５２、第２金属層５３、第３金属層５４と、第４金属層５５、第５金属層５６及び第６金属層５７それぞれの上面は、絶縁層５１と接合されている。

第１金属層５２、第２金属層５３、第４金属層５５、第５金属層５６及び第６金属層５７は、本発明の実施の形態１乃至実施の形態６いずれかと同様に、絶縁層２１の一方の面上に選択的に形成されている。

また、絶縁層２１、第１金属層５２、第２金属層５３、第４金属層５５、第５金属層５６及び第６金属層５７の材料と厚みは、本発明の実施の形態１乃至実施の形態６いずれかと同様である。

第３金属層５４は、第１金属層５２、第２金属層５３、第４金属層５５、第５金属層５６及び第６金属層５７が形成されない領域に、半導体素子と電気的に絶縁されて形成されている。つまり、第３金属層５４はどこへも接続していない。第３金属層５４の材料と厚みは、本発明の実施の形態１乃至実施の形態６いずれかの第１金属層５２、第２金属層５３、第４金属層５５、第５金属層５６及び第６金属層５７と同様である。

本発明の実施の形態７では、以上のような構成としたことにより、接続装置５の絶縁層５１だけでは厚みの薄い箇所の厚みが、第３金属層５４の厚み分増し、接続装置５の強度が増すことで、接続装置５の撓みが減るという効果がある。これにより、半導体装置１内における接続装置５の余計な接触箇所を減らすことができる。

また、接続装置５の強度が増したことにより、半導体装置１の生産時に、接続装置５を片手で取り扱いができるなど、取り扱い性が容易になる。これにより、半導体装置１の生産性を向上させることができるという効果がある。

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、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１半導体装置、２基板、５接続装置、６突起、７屈曲部、２１絶縁部、２２第１導体部、２３第２導体部、２４第３導体部、２５第４導体部、３１ＩＧＢＴ、３１ａＩＧＢＴ、３１ｂＩＧＢＴ、３２ダイオード、３２ａダイオード、３２ｂダイオード、４１交流出力端子、４２ａゲート端子、４２ｂエミッタ端子、４３ａ正極端子、４３ｂ負極端子、５１絶縁層、５２第１金属層、５３第２金属層、５４第３金属層、５５第４金属層、５６第５金属層、５７第６金属層、３１１第１接続面、３１２第２接続面、３１２１第１電極、３１２２第２電極、Ｆ１第１領域、Ｆ２第２領域、Ｆ３第３領域、Ｆ４第４領域、Ｆ５第５領域、Ｆ６第６領域、Ｆ７第７領域、Ｆ８第８領域、Ｆ２０第２０領域、Ｆ４０第４０領域、Ｆ６０第６０領域、Ｗ１第１領域の幅、Ｗ２第２領域の幅、Ｗ３第３領域の幅、Ｗ４第４領域の幅、Ｗ５第５領域の幅、Ｗ６第６領域の幅、Ｗ７第７領域の幅、Ｗ８第８領域の幅。

Claims

絶縁部の一方の面上に、第１導体部と、第２導体部と、第４導体部と、が形成された基板と、
前記第１導体部上に配置された半導体素子と、
前記第２導体部上に配置された端子と、
前記第４導体部上に配置されたゲート端子と、
前記半導体素子、前記端子及び前記ゲート端子と接合された接続装置と、を備え、
前記半導体素子は、
前記第１導体部と接合された第１接続面と、
前記第１接続面と向かい合う第２接続面と、
前記第２接続面上に、第１電極と、第２電極と、を有し、
前記接続装置は、
絶縁層と、
前記絶縁層の一方の面上に、第１金属層と、第２金属層と、を備え、
前記第１金属層は、前記端子及び前記第１電極と接合され、
前記第２金属層は、前記ゲート端子及び前記第２電極と接合された半導体装置。
絶縁部の一方の面上に、第１導体部と、第２導体部と、が形成された基板と、
前記第１導体部上に配置された半導体素子と、
前記第２導体部上に配置された端子と、
前記半導体素子及び前記端子と接合された接続装置と、を備え、
前記半導体素子は、
前記第１導体部と接合された第１接続面と、
前記第１接続面と向かい合う第２接続面と、
前記第２接続面上に、第１電極と、第２電極と、を有し、
前記接続装置は、
絶縁層と、
前記絶縁層の一方の面上に、第１金属層と、第２金属層と、を備え、
前記第１金属層は、前記端子及び前記第１電極と接合され、
前記第２金属層は、前記第２電極と接合され、
前記第１金属層は、
前記半導体素子と接合された第１領域と、
前記端子と接合された第２領域と、
前記第１領域と前記第２領域の間の領域である第３領域と、を有し、
前記第２領域又は前記第３領域の幅が、前記第１領域の幅よりも広い半導体装置。
前記第１金属層は、
前記半導体素子と接合された第１領域と、
前記端子と接合された第２領域と、
前記第１領域と前記第２領域の間の領域である第３領域と、を有し、
前記第２領域又は前記第３領域の幅が、前記第１領域の幅よりも広いことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記第１金属層は、前記第１領域内に、前記第１電極と接合された突起を有することを特徴とする請求項２又は３に記載の半導体装置。
前記突起は、前記第１領域内に２つ以上形成されたことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
前記第１金属層は、前記半導体素子と前記端子との間に屈曲部を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体装置。
前記接続装置は、前記絶縁層上でかつ前記第１金属層及び前記第２金属層が形成されていない領域に、前記半導体素子と電気的に絶縁された第３金属層を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の半導体装置。
絶縁部の一方の面上に第１導体部と第２導体部と第４導体部とを有する基板の前記第１導体部と、第１接続面及び前記第１接続面と向かい合う第２接続面を有し、前記第２接続面上に第１電極及び第２電極を有する半導体素子の前記第１接続面と、を接合する工程と、
前記第２導体部上に端子を配置する工程と、
前記第４導体部上にゲート端子を配置する工程と、
絶縁層の一方の面上に第１金属層と第２金属層とを有する接続装置を用いて、前記半導体素子、前記端子及び前記ゲート端子を接合する工程と、を備え、
前記半導体素子及び前記端子を接合する工程では、
前記第１金属層と、前記第１電極及び前記端子と、を接合する工程と、
前記第２金属層と、前記第２電極及び前記ゲート端子と、を接合する工程と、を有する
半導体装置の製造方法。