WO2015174334A1 - ビームリード、半導体装置、および、半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

　本発明に係るビームリードは、基板の上に配設される半導体チップに接続され、可撓性を有するメッシュまたは編組からなる網状部材を有する。ビームリードは、可撓性を有するため、従来の金属よりも剛性が低い。このため、ビームリードの温度が変化して形状が変化しても、ビームリードと半導体チップとの接合部分に入力される応力が低減する。

Description

ビームリード、半導体装置、および、半導体装置の製造方法

　本発明は、ビームリード、半導体装置、および、半導体装置の製造方法に関する。

　従来から、ハイブリッド車や電気自動車等の車両に搭載される半導体装置の開発が進められている（日本国　特開２０１０－５０３６４号公報を参照）。

　この日本国　特開２０１０－５０３６４号公報に記載された半導体装置においては、絶縁基板上に設けられた半導体チップと基板上回路層とを、ビームリードを介して接続している。

　前記ビームリードは、銅やアルミニウム等からなる長尺状の金属板を折り曲げて成形される。具体的には、ビームリードにおける長手方向の両端にチップ側接合部および回路側接合部を設け、これらのチップ側接合部および回路側接合部同士を立ち上がり部および渡り部を介して一体に結合している。前記チップ側接合部を半導体チップ（電気的素子）にはんだを介して接合すると共に、前記回路側接合部を基板上回路層にはんだを介して接合している。

　しかしながら、日本国　特開２０１０－５０３６４号公報に開示されたビームリードは、金属板を折り曲げて成形されているため、剛性が高い。従って、ビームリードが温度変化によって伸縮（変形）すると、チップ側接合部や回路側接合部におけるはんだ部分に応力がかかり、長期間の使用で経年劣化すると、前記はんだ部分が損傷する要因になる可能性がある。

　本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、ビームリードが温度変化したときに、ビームリードと電気的素子との接合部分に入力される応力を低減させることができるビームリード、半導体装置、および、半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

　前記目的を達成するため、本発明に係るビームリードは、可撓性を有するメッシュまたは編組からなる網状部材を有し、基板上の電気的素子に接続される。

　前記ビームリードは、前記網状部材と、前記網状部材に沿って設けられた補強材と、を有してもよい。

　また、本発明に係る半導体装置は、絶縁材料で構成された基板と、該基板の上に配設された電気的素子と、該電気的素子に接合された前記ビームリードと、を備え、前記ビームリードは、前記電気的素子にはんだで接合される接合部を有し、前記接合部の少なくとも一部を押し潰した後で、接合部をはんだで電気的素子に接合する。

　前記半導体装置におけるビームリードは、前記接合部と、該接合部に繋がる連結部と、を備え、前記連結部における接合部との境界部と、前記接合部と、を押し潰した後で、はんだで接合部を電気的素子に接合してもよい。

　前記半導体装置におけるビームリードは、前記電気的素子にシンタ接合によって接合されてもよい。

　本発明に係る半導体装置の製造方法は、
　可撓性を有するメッシュまたは編組からなる網状部材を有するビームリードと電気的素子との少なくともいずれかにシンタペーストを塗布する工程と、
　前記ビームリードを、シンタペーストを介して電気的素子に当接する工程と、
　この当接部を加熱することにより、シンタペースト中の金属粒子でビームリードを電気的素子に接合させる工程と、
　を有する。

図１は、第１の実施形態に係る半導体装置を示す斜視図である。 図２において、図２（ａ）は図１におけるビームリードを示す斜視図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ－Ａ線による断面図である。 図３は、本発明例を示し、図３（ａ）は図２のビームリードにおける押し潰す範囲を示した斜視図、図３（ｂ）は接合部をはんだ付けしたビームリードを示す斜視図である。 図４は、図３との比較例を示し、図４（ａ）はビームリードにおける接合部をはんだ付けする前に接合部および連結部を押し潰さない状態を示す斜視図、図４（ｂ）は接合部および連結部を押し潰さないで接合部をはんだ付けしたビームリードを示す斜視図である。 図５は、第２の実施形態に係るビームリードを半導体チップに接合する手順を示し、図５（ａ）は半導体チップを示す側面図、図５（ｂ）は半導体チップの上にシンタペーストを塗布し、そのシンタペーストの上にビームリードの接合部を載置した状態を示す側面図、図５（ｃ）はビームリードの接合部を加熱することにより、シンタペースト中の金属粒子でビームリードの接合部と半導体チップとを接合する状態を示す側面図である。 図６は、第３の実施形態に係るビームリードの分解斜視図である。 図７は、図６のビームリードを示しており、図７（ａ）はビームリードの斜視図、図７（ｂ）は（ａ）のＢ－Ｂ線による断面図である。 図８は、第４の実施形態に係るビームリードを示しており、図８（ａ）は補強材となる矩形状の鋼板を示す斜視図、図８（ｂ）は図８（ａ）の鋼板の内方を打ち抜いて形成される枠状体を示す斜視図、図８（ｃ）は図８（ｂ）の枠状体を折り曲げて、網状部材の裏側に配設したビームリードを示す斜視図である。 図９は、第４の実施形態の変形例に係るビームリードを示す斜視図である。

　以下、本発明の一例としての実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の図において、構成を判りやすく説明するために、便宜上、ビームリードの長手方向のうち半導体チップが実装された側を前側ＦＲ、前側ＦＲの反対側を後側ＲＲ、前側に向かって右側をＲＨ、左側をＬＨとする。

　[第１の実施形態]
　図１～図３を参照して、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置およびビームリードについて説明する。

　図１に示すように、第１の実施形態に係る半導体装置１は、絶縁材料で構成される基板３と、該基板３上に配設される複数（図１では２つ）の第１および第２の基板上回路層５，９と、第１の基板上回路層５の上に接合される半導体チップ７（電気的素子）と、該半導体チップ７および第２の基板上回路層９の上面同士７ａ，９ａを接続する板状のビームリード１１と、を備えている。なお、図１では、半導体チップ７、第１の基板上回路層５、第２の基板上回路層９、および、ビームリード１１を１つずつしか記載していないが、これらを複数設けてもよい。前記半導体チップ７は、はんだＳを介して第１の基板上回路層５の上面に接合されている。また、「電気的素子」として、第１の実施形態では、半導体チップ７を例示するが、電気的素子は、これらに限定されない。

　次いで、図１，２を用いて、第１の実施形態に係るビームリード１１について説明する。

　図１および図２（ａ）に示すように、このビームリード１１は、下側に配置されて前後方向に所定間隔をおいて配置されたチップ側接合部１５（接合部）および回路層側接合部１７と、これらのチップ側接合部１５および回路層側接合部１７における端縁１５ａ，１７ａから屈曲して上側に延びる立壁部１９，２１（連結部）と、該立壁部１９，２１における上端同士を結ぶ橋渡し部２３（連結部）と、から側面視がハット状に一体形成されている。チップ側接合部１５（接合部）および回路層側接合部１７は、それぞれ半導体チップ７および第２の基板上回路層９にはんだＳを介して接合されている。

　また、ビームリード１１の全体は、可撓性を有する編組からなる網状部材で構成されている。具体的には、図２（ｂ）に示すように、編組とは、複数の細い線状体２５を細かく組み合わせて編んだものであり、荷重を加えると自由に変形が可能であり、可撓性を有する。即ち、小さい荷重を加えるだけで、ビームリード１１の形状を自由に変形させることが可能である。

　次に、図３と図４を用いて、ビームリード１１のチップ側接合部１５の全面と連結部２７とを押し潰した後で、チップ側接合部１５をはんだＳで接合する場合と、ビームリード１１のどの部位も全く押し潰さないで接合する場合と、を比較する。

　まず、図３（ａ）に示すように、ビームリード１１では、チップ側接合部１５（接合部）と立壁部１９（連結部）との間が境界部２７に形成されている。つまり、境界部２７は、立壁部１９の下端部と、チップ側接合部１５における立壁部１９側の端部とからなる。本発明例では、図３（ａ）に示すように、チップ側接合部１５（接合部）の全体と、連結部２７と、を押し潰す。なお、押し潰す範囲Ｐは、図３（ａ）に示すように、線ハッチングで示している。ここで、チップ側接合部１５および連結部２７を厚さ方向に押し潰すと、ビームリード１１を構成する線状体２５同士の隙間が大幅に減少する。なお、この押し潰し加工は、はんだ付け工程の前にビームリード単体で予め行なっておく。

　次に、図３（ｂ）に示すように、この押し潰したチップ側接合部１５を半導体チップ７（電気的素子）の上面７ａにはんだＳで接合する。

　一方、図４に示すように、比較例では、チップ側接合部１５と連結部２７とを押し潰さないまま、チップ側接合部１５を半導体チップ７（電気的素子）の上面７ａにはんだＳで接合する。

　以下に、図３と図４を比較する。

　本発明例では、図３（ａ）に示すように、前記範囲Ｐを押し潰して線状体２５同士の隙間を潰した後ではんだ接合するため、図３（ｂ）に示すように、チップ側接合部１５および連結部２７にはんだＳが必要以上に吸い上げられる（浸透する）ことが抑制される。従って、チップ側接合部１５の下面と半導体チップ７の上面７ａとの間に、はんだ層が適正な厚さをもって形成される。よって、チップ側接合部１５の下面と半導体チップ７の上面７ａとをはんだ層を介して効率的に接合することができる。

　比較例に係る図４では、図４（ａ）に示すように、はんだ付け工程の前にチップ側接合部１５および連結部２７を押し潰していないため、チップ側接合部１５および連結部２７において線状体２５同士の隙間が大きい。従って、図４（ｂ）に示すように、点ハッチングＳで示す範囲で、毛細管現象によって前記線状体２５同士の隙間にはんだＳがどんどん浸入してしまい、チップ側接合部１５の下面と半導体チップ７の上面７ａとの間に形成されるはんだ層について適正な厚さを確保することが困難になる。従って、チップ側接合部１５の下面と半導体チップ７の上面７ａとをはんだ層を介して効率的に接合することが困難になる。

　以下に、第１の実施形態による作用効果を説明する。

　（１）第１の実施形態に係るビームリード１１は、基板３の上に配設される半導体チップ７（電気的素子）に接続され、可撓性を有する編組からなる網状部材で構成される。

　本実施形態に係るビームリード１１が、可撓性を有する編組からなる網状部材で構成されるため、従来の金属からなる従来のビームリードよりも剛性が低い。このため、ビームリード１１の温度が変化しても、ビームリード１１と電気的素子７との接合部分に入力される応力が低減し、ビームリード１１と電気的素子７との接合部分が損傷することが効果的に抑制される。

　また、ビームリード１１に高周波電流を流す場合、表皮効果によって、ビームリード１１を構成するそれぞれの線状体２５における表面部分を高周波電流が集中的に流れる。従って、複数の線状体が絡み合って構成されるビームリード全体では、ビームリード１１の断面の全体に分散して高周波電流が流れるため、ノイズが効率的に低減される。なお、これに対して、従来の金属板からなるビームリードでは、電流密度が金属板の表面部分で高くなり高周波電流が流れにくくなるため、ノイズの発生量が大きくなる。

　（２）半導体装置１は、絶縁材料で構成される基板３と、該基板３の上に配設される半導体チップ７（電気的素子）と、半導体チップ７に接続されると共に可撓性を有する編組からなる網状部材で構成されたビームリード１１と、を備える。前記ビームリード１１のチップ側接合部１５（接合部）は、半導体チップ７にはんだＳで接合される。前記ビームリード１１のチップ側接合部１５は、少なくとも一部を押し潰した後で、はんだＳで半導体チップ７（電気的素子）に接合されてなる。

　この押し潰し加工によって、チップ側接合部１５の編組を構成する線状体２５同士の隙間が潰れるため、線状体２５同士の隙間に必要以上にはんだＳが吸い上げられる（浸透する）ことが抑制される。従って、チップ側接合部１５の下面と半導体チップ７の上面７ａとの間に適正な厚さのはんだ層が形成されるため、チップ側接合部１５の下面と半導体チップ７の上面７ａとを効率的に接合することができる。

　これに対して、はんだ付け工程の前でチップ側接合部１５および連結部２７を押し潰さない場合は、チップ側接合部１５および連結部２７において線状体２５同士の隙間が大きい状態になっている。従って、毛細管現象によって線状体２５同士の隙間にはんだＳが必要以上にどんどん浸透してしまい、チップ側接合部１５の下面と半導体チップ７の上面７ａとの間に形成されるはんだ層の適正な厚さを確保することが困難になる。従って、チップ側接合部１５の下面と半導体チップ７の上面７ａとを効率的に接合することが困難になる。

　（３）前記ビームリード１１は、半導体チップ７に接合されるチップ側接合部１５（接合部）と、チップ側接合部１５（接合部）に繋がる連結部１９，２１，２３と、を備えている。前記連結部における接合部との境界部２７と、前記接合部１５と、を押し潰した後で、はんだＳでチップ側接合部１５を半導体チップ７に接合してなる。

　チップ側接合部１５のみならず境界部２７も押し潰しているため、連結部である立壁部１９とチップ側接合部１５の編組を構成する線状体２５同士の隙間が潰れる。ここで、連結部を押し潰さないと、図４（ｂ）のように、立壁部１９の上端まではんだＳが吸い上げられる（浸透する）おそれがある。よって、チップ側接合部１５および境界部２７も押し潰すことにより、立壁部１９まではんだＳが吸い上げられることが抑制される。即ち、図３（ｂ）に示すように、はんだＳが吸い上げられる範囲は、立壁部１９の下端部までに限定される。従って、チップ側接合部１５の下面と半導体チップ７の上面７ａとの間にさらに適正な厚さのはんだ層が形成されるため、チップ側接合部１５の下面と半導体チップ７の上面７ａとをさらに効率的に接合することができる。

　[第２の実施形態]
　次いで、第２の実施形態に係る半導体装置およびビームリードについて説明する。ただし、前述した第１の実施形態と同一構成については、同一の符号を付けて説明を省略する。

　第２の実施形態に係る半導体装置においては、チップ側接合部１５（接合部）および回路層側接合部１７は、それぞれ半導体チップ７および第２の基板上回路層９にシンタ接合によって接合されている。以下、チップ側接合部１５を例にとって具体的に接合の手順を説明する。

　図５（ａ）（ｂ）に示すように、まず、半導体チップ７の上面７ａの上にシンタペースト３１を塗布する。そして、シンタペースト３１の上にチップ側接合部１５を載置して当接する。こののち、チップ側接合部１５の近傍を加熱すると、図５（ｃ）に示すように、シンタペースト３１の中の金属粒子３３（例えば、銀の粒子）により、チップ側接合部１５が半導体チップ７に接合される。

　以下に、第２の実施形態による作用効果を説明する。

　（１）第２の実施形態に係る半導体装置は、絶縁材料で構成される基板３と、該基板３の上に配設される半導体チップ７（電気的素子）と、半導体チップ７に接続されると共に可撓性を有する編組からなる網状部材で構成されたビームリード１１と、を備える。前記ビームリード１１のチップ側接合部１５（接合部）は、半導体チップ７にシンタ接合によって接合される。

　これにより、シンタ接合時において、ビームリード１１のチップ側接合部１５を半導体チップ７に押し付けなくても、ビームリード１１のチップ側接合部１５が半導体チップ７に対して横方向にずれにくくなる。即ち、前述のように、ビームリード１１は、可撓性を有する編組から構成されるので剛性が低くなる。よって、ビームリード１１がシンタ接合時の熱によって形状変化するときに、チップ側接合部１５が横方向に変形する応力が小さくなるため、チップ側接合部１５が横方向にずれにくくなる。

　（２）半導体装置の製造方法であって、
　前記半導体チップ７にシンタペースト３１を塗布する工程と、ビームリード１１を半導体チップ７の上のシンタペースト３１に当接する工程と、この当接部を加熱することにより、シンタペースト３１中の金属粒子３３でビームリード１１を半導体チップ７に接合させる工程と、を有する。

　このように、ビームリード１１の剛性が低下するため、ビームリード１１がシンタ接合時の熱によって形状変化するときに、チップ側接合部１５が横方向に変形する応力が小さくなるため、チップ側接合部１５が横方向にずれにくくなる。

　[第３の実施形態]
　次いで、第３の実施形態に係る半導体装置およびビームリードについて説明する。ただし、前述した第１および第２の実施形態と同一構成については、同一の符号を付けて説明を省略する。

　第３の実施形態に係るビームリードは、３層構造に構成されている。具体的には、図６，７に示すように、下側に配置される第２構成部材（網状部材）１１Ｂと、該第２構成部材１１Ｂの上側に配置される第３構成部材（補強材）１１３と、該第３構成部材１１３の上側に配置される第１構成部材（網状部材）１１Ａと、から構成される。これらの第１構成部材１１Ａ、第２構成部材１１Ｂおよび第３構成部材１１３は、それぞれ側面視がハット状に形成されている。

　前記第１構成部材１１Ａおよび第２構成部材１１Ｂは、編組からなる網状部材である。また、厚さ方向の中央側に配置される第３構成部材１１３は、銅箔からなる補強材である。

　そして、これらの第１構成部材１１Ａ、第２構成部材１１Ｂおよび第３構成部材１１３を互いに接合して一体にすることにより、ビームリード１１１を構成する。換言すれば、第３構成部材１１３は、第１構成部材１１Ａおよび第２構成部材１１Ｂに沿って設けられている。

　以下に、第３の実施形態による作用効果を説明する。

　（１）第３の実施形態に係るビームリード１１１は、編組からなる第１構成部材１１Ａおよび第２構成部材１１Ｂと、これらの第１構成部材１１Ａおよび第２構成部材１１Ｂの間に挟持され、銅箔（金属箔）からなる第３構成部材１１３と、を備える。これらの第１構成部材１１Ａ、第２構成部材１１Ｂ、第３構成部材１１３は、互いに接合されて一体に形成される。

　第３構成部材１１３は金属箔（補強材）からなるため、可撓性を有する編組のみから構成されるビームリードに比べて、強度が向上するという効果を有する。なお、この強度は、ビームリードに要求される必要最小限度の強度（例えば、加工が効率よくできる強度や、ビームリードの使用中に変形しない強度など）である。

　[第４の実施形態]
　次いで、第４の実施形態に係るビームリード２１１について説明する。ただし、前述した第１～第３の実施形態と同一構成については、同一の符号を付けて説明を省略する。

　第４の実施形態では、補強材として、鋼板の内方を打ち抜いた枠状体を採用している。以下、具体的に説明する。

　まず、図８（ａ）に示す鋼板２０１を用意する。この鋼板２０１は、平面視で長方形に形成された平板である。次に、図８（ｂ）に示すように、鋼板２０１の内方を、長手方向に沿ってプレスで打ち抜く。本実施形態では、短手方向に並設して一対の帯状体が抜けるように打ち抜く。これによって、所定値以上の強度を有する補強材である枠状体２０３が完成する。従って、枠状体２０３には、長手方向に沿って延びる開口部２０５，２０７が並列している。なお、鋼板２０１の厚さは、例えば０．３ｍｍ～０．５ｍｍを適用することができる。

　そして、図８（ｃ）に示すように、図８（ｂ）の枠状体２０３を折り曲げて、編組からなる第１構成部材１１Ａ（第３の実施形態における網状部材）の裏側に沿って配置する。換言すれば、折り曲げた鋼板製の枠状体２０３の上に網状部材を載置することにより、本実施形態に係るビームリード２１１を作成する。このように、本実施形態に係るビームリード２１１では、枠状体２０３と第１構成部材１１Ａとが接合されておらず、両者を単に当接させているのみである。

　以下に、第４の実施形態による作用効果を説明する。

　（１）第４の実施形態に係るビームリード２１１は、第１構成部材１１Ａ（網状部材）と、第１構成部材１１Ａに沿って設けられた枠状体２０３（補強材）と、を有する。

　ビームリード２１１は、補強材である枠状体２０３を有するため、可撓性を有する編組のみから構成されるビームリードに比べて、強度が向上するという効果を有する。なお、この強度は、ビームリードに要求される必要最小限度の強度（例えば、加工が効率よくできる強度や、ビームリードの使用中に変形しない強度など）である。

　本出願は、２０１４年５月１３日に出願された日本国特許願第２０１４－０９９３０１号に基づく優先権を主張しており、この出願の全内容が本明細書に組み込まれる。

　以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本明細書で開示された実施の形態はすべての点で例示であって開示された技術に限定されるものではないと考えるべきである。すなわち、本発明の技術的な範囲は、前記の実施形態における説明に基づいて制限的に解釈されるものでなく、あくまでも特許請求の範囲の記載にしたがって解釈すべきであり、特許請求の範囲の記載技術と均等な技術および特許請求の範囲内でのすべての変更が含まれる。

　例えば、前記実施形態では、ビームリード１１、第１構成部材１１Ａおよび第２構成部材１１Ｂは、編組で構成したが、可撓性を有する金属（例えば銅）のメッシュで構成してもよい。

　また、第３の実施形態において、第３構成部材１１３を構成する金属箔として銅箔を例に取ったが、銅箔以外でもよい。

　さらに、第２の実施形態では、半導体チップ７にシンタペースト３１を塗布したが、ビームリード１１に塗布してもよい。

　なお、図９に示すように、第４の実施形態の変形例として、一対の網状部材の間に枠状体を挟み込んでビームリードとしてもよい。

　具体的に説明する。まず、第３の実施形態に係る第１構成部材１１Ａと第２構成部材１１Ｂを用意する。これらの第１構成部材１１Ａと第２構成部材１１Ｂは、編組からなる網状部材で構成されている。また、第４の実施形態に係る枠状体２０３（補強材）を用意する。

　そして、第１構成部材１１Ａと第２構成部材１１Ｂとの間に枠状体２０３を配置し、これらの第１構成部材１１Ａ、枠状体２０３および第２構成部材１１Ｂを一体に接合して、ビームリード３１１を作成してもよい。この場合も、ビームリード３１１は、補強材である枠状体２０３を有するため、可撓性を有する編組のみから構成されるビームリードに比べて、強度が向上するという効果を有する。

１　半導体装置
３　基板
７　半導体チップ７（電気的素子）
１１，２１１，３１１　ビームリード
１１Ａ　第１構成部材
１１Ｂ　第２構成部材
１５　チップ側接合部（接合部）
１９　立壁部（連結部）
２１　立壁部（連結部）
２３　橋渡し部（連結部）
２７　境界部
３１　シンタペースト
３３　金属粒子
１１３　第３構成部材（補強材）
２０３　枠状体（補強材）
 

Claims (6)

1. 　可撓性を有するメッシュまたは編組からなる網状部材を有し、基板上の電気的素子に接続される、ビームリード。
2. 　請求項１に記載のビームリードであって、
   　前記網状部材と、
   　前記網状部材に沿って設けられた補強材と、
   を有するビームリード。
3. 　前記請求項１または２に記載のビームリードを用いた半導体装置であって、
   　絶縁材料で構成された基板と、該基板の上に配設された電気的素子と、該電気的素子に接合された前記ビームリードと、を備え、
   　前記ビームリードは、前記電気的素子にはんだで接合される接合部を有し、
   　前記接合部の少なくとも一部を押し潰した後で、接合部をはんだで電気的素子に接合する半導体装置。
4. 　前記請求項３に記載の半導体装置であって、
   　前記ビームリードは、前記接合部と、該接合部に繋がる連結部と、を備え、
   　前記連結部における接合部との境界部と、前記接合部と、を押し潰した後で、はんだで接合部を電気的素子に接合する半導体装置。
5. 　前記請求項３または４に記載の半導体装置であって、
   　前記ビームリードは、前記電気的素子にシンタ接合によって接合される半導体装置。
6. 　可撓性を有するメッシュまたは編組からなる網状部材を有するビームリードと電気的素子との少なくともいずれかにシンタペーストを塗布する工程と、
   　前記ビームリードを、シンタペーストを介して電気的素子に当接する工程と、
   　この当接部を加熱することにより、シンタペースト中の金属粒子でビームリードを電気的素子に接合させる工程と、
   　を有する半導体装置の製造方法。
    

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