(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表裏面に電極が形成されたパワー半導体素子と、このパワー半導体素子を接合し、かつ放熱板としても機能する金属リードフレームとを設け、この金属リードフレームの一部を放熱のために露出させながら全体を樹脂封止してなるパワー半導体装置において、
上記金属リードフレームに高純度の無酸素銅を用い、
上記パワー半導体素子の基板に炭化珪素を用い、かつ該パワー半導体素子の表面電極としてチタン膜の上にアルミニウム膜を形成し、このパワー半導体素子の表面電極を上記金属リードフレームの内部リードに銅線にて接合する構成とし、
上記パワー半導体素子の裏面電極として形成された金膜又は銀膜の上に、高純度の金又は銅からなる金属バンプを介して、上記金属リードフレームを接合してなることを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項２】
表裏面に電極が形成されたパワー半導体素子を設け、このパワー半導体素子を金属リードフレームに接合するパワー半導体装置の製造方法において、
上記パワー半導体素子の表面電極としてチタン膜の上にアルミニウム膜を形成し、このパワー半導体素子の表面電極を上記金属リードフレームの内部リードに銅線にて接合し、
上記パワー半導体素子の表面電極又は裏面金属膜、又は上記金属リードフレームに、半田材でない金属バンプを形成し、
上記パワー半導体素子の金属バンプを形成しない面の外周に、弾性体からなる凸部を設けると共に、上記金属リードフレームの金属バンプの形成又は圧接位置に予め窪みを設け、
上記パワー半導体素子を金属バンプが配置されない面から加圧しながら、超音波振動を与えることにより、上記パワー半導体素子と上記金属リードフレームとを接合することを特徴とするパワー半導体装置の製造方法。
【請求項３】
複数のパワー半導体素子が形成された集合基板の各パワー半導体素子に金属バンプを形成した後、この集合基板を切削することで、個々のパワー半導体素子を製作するとき、個々のパワー半導体素子の金属バンプ形成面の外周に、各パワー半導体素子間の境界を識別する隙間を残した状態で、弾性体からなる凸部を設けたことを特徴とする請求項２に記載のパワー半導体装置の製造方法。
【請求項４】
上記パワー半導体素子の上記金属バンプが配置されない面で、搬送時に金属針により突き上げられる部分に、弾性体を設けたことを特徴とする請求項２又は３記載のパワー半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はパワー半導体装置及びその製造方法、特にパワー半導体素子を金属リードフレームへ接合させる構造を持ち、高放熱性、環境性及びオーディオ信号の伝送特性に優れた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、家電機器、ＯＡ機器、音響機器等の電源には、ダイオードやトランジスタ等のパワー（電力制御用）半導体装置が用いられており、このパワー半導体装置は、例えば図１１のような構造となっている。図１１のパワー半導体装置では、パワー半導体素子１の裏面電極を半田（接合材）２を用いて比較的大きな面積の金属リードフレーム３へ固着させ、この金属リードフレーム３の内部リード部４とパワー半導体素子１の表面電極を金属線５により接続し、全体を樹脂６にて封止する構成とされ、上記金属リードフレーム３には外部電極７ａ、内部リード部４には外部電極７ｂが接続される。また、上記金属リードフレーム３の端部には、金属リードフレーム３と樹脂６を共に貫通する取付け用の孔８が形成されている。近年、上記金属線５として、パワー半導体素子１の大電流化及びコストダウンの要求を受け、２００〜５００μｍ径のアルミニウム線が用いられている。
【０００３】
また、従来では、更なる高放熱性の実現に向け、例えば下記特許文献１（特開２００６−６６８１３号公報）に示されるように、パワー半導体素子を導電性金属部材で挟み込む構造とし、この金属部材を放熱板として利用する方法も提案されている。
【０００４】
一方、オーディオ及び各種通信用装置に関しては、下記特許文献２（特開平１０−１８９８５１号公報）のダイオード、或いはトランジスタ、ＦＥＴ等が用いられるが、これらにおいて、高音質特性を向上させるためには、半導体素子を配置するリードフレームに無酸素銅材が有効であることが示されている。この特許文献２では、上記半導体素子の無酸素銅材リードフレームへの接合は、導電性・熱伝導性に優れた半田を用いることが前提とされている。
【０００５】
また、上記パワー半導体素子１自体の製造では、ウェハー（集合基板）内にパワー半導体回路を複数個形成し、この集合基板の切削ラインに沿ってブレードを高速回転させながら切削すること（ダイシング法）により、個々のパワー半導体素子１が製作される。このダイシング作業は、通常ダイシングテープと呼ばれる粘着テープに貼り付けて行うが、このパワー半導体素子１の搬送の際には、粘着テープの粘着力をＵＶ照射などによって低下させた後、突上げ針（金属針）をテープ側よりパワー半導体素子１を突き上げることによって、パワー半導体素子１がテープ側より剥がされた状態となり、その後、このパワー半導体素子１は、吸着孔を有する円柱形のコレットと呼ばれるツールによって容易に吸着保持される。
【０００６】
更に、パワー半導体素子１と金属リードフレーム３の接合では、金属リードフレーム３が半田２の融点温度＋３０℃〜５０℃程度に加熱され、半田２が金属リードフレーム３上で加熱溶融される。この接合作業において、半田２や金属リードフレーム３の接触界面で酸化現象が生じると、半田２の金属リードフレーム３への濡れ性が著しく阻害され、パワー半導体素子１の接合強度が低下すると共に、半田２の内部のボイド発生やこれによるパワー半導体素子１への応力集中、電気伝導度や熱伝導度の低下及び接合信頼性が著しく低下し、半田２のクラックも発生する等、様々な不具合が生じるため、この作業環境を窒素ガス（Ｎ２）雰囲気中や（窒素＋水素）ガスの還元性雰囲気中とすることにより、酸素の影響を排除することが重要となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−６６８１３号公報
【特許文献２】特開平１０−１８９８５１号公報
【特許文献３】特開２００７−３１１６５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、一般に、オーディオ用のスピーカーケーブルは銅線が使用され、その中でも無酸素銅（ＯＦＣ）が良いとされ、パワー半導体装置用の高音質向けに開発された金属リードフレーム（３）においても、特許文献２のように無酸素銅を使用することが提案され、実際にも、図１１に示す構造のダイオードを作製し、オーディオアンプの電源回路に用いた結果、優れた音質向上効果があることが感性的に得られている。
【０００９】
しかしながら、従来では、図１１のようにパワー半導体素子１とリードフレーム３を接続する接合材として半田が用いられており、オーディオ用のパワー半導体装置では音質の更なる向上が図れず、その他の用途を含めた全体のパワー半導体装置においても、無酸素銅の軟化により組立工程の自動化が妨げられたり、ボイドの発生、部材酸化、接合部厚みの不均一等により接合強度のバラツキが発生したりする等の問題があった。
【００１０】
即ち、銅線の比抵抗値は１７．２ｎΩ・ｍ（２０℃、以下同様）と低く、銀の１６．３ｎΩ・ｍに次ぐ低さであり、金線の比抵抗値も２４．０ｎΩ・ｍと低いのに対し、半田接合材は、錫鉛系のＳｎＰｂ共晶半田で比抵抗値が約１００ｎΩ・ｍとなり、金、銀、銅等と比較すると、４〜５倍程高い数値になる。
【００１１】
また、熱伝導率で比較しても、図１１のように、無酸素銅とした金属リードフレーム３にパワー半導体素子１を実装する際に、半田２を使用した場合、錫鉛系のＳｎＰｂ共晶半田の場合、５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度であるが、金では熱伝導率が２９５Ｗ／（ｍ・Ｋ）となり、格段の差がある。このように、半田２は比抵抗値が高く、熱伝導率も小さいことから、オーディオ用において音質の向上を図るための接合素材としては好ましくない。
【００１２】
更に、パワー半導体素子１と金属リードフレーム３の接合に半田２を用いる場合、半田２を融点以上（融点温度＋３０℃〜５０℃）に加熱することや、雰囲気ガスによる酸素の遮蔽性や構成材料の保管性等の様々な問題により、半田２の金属リードフレーム３やパワー半導体素子１に対する必要な濡れ性が確保されず、ボイドの発生が生じ、このボイドの局在化や過大な発生がパワー半導体素子１に与える応力ばらつきにより、接合強度等の特性に重大な影響を与え、熱伝導性のばらつきの要因ともなるという問題があった。また、各部材の酸化等の影響により、接合強度自体にばらつきが生じることもあり、これによっても、電気抵抗や半導体素子からの熱拡散のばらつきが生じる。
【００１３】
一般に、パワー半導体素子１及び金属リードフレーム３の線膨張係数の違いから、金属リードフレーム３からの応力を緩和するため、半田層の厚みは１０μｍ以上確保されることが一般的であるが、半田２が溶融された状態でこの厚みを一定（均一）に制御することは極めて困難である。更に、鉛が含まれる半田２は、環境影響の配慮から禁止されるリスクがあり、様々な代替半田が検討されているものの、鉛を排除した場合は半田材に要求される特性の悪化が懸念される。
【００１４】
上記の半田材の不都合は、図１１のようにパワー半導体素子１の電極面を金属線５で結合するものではなく、特許文献１の挟み込み構造ように、パワー半導体素子１の表裏電極と金属部材との接合に半田を用いる場合にも同様に生じる。
【００１５】
更に、図１１に示すパワー半導体素子１の表面電極と内部リード部４を接続する金属線５として、アルミニウム（Ａｌ）線を用いた場合、その比抵抗値が２８．２ｎΩ・ｍ（２０℃）と比較的小さな値ではあるが、銅線と比較すると１．５倍以上高い数値となる。この結果、アルミニウム線で抵抗値を下げるためには、銅線よりも線径の引き上げが必要となる。近年、パワー半導体素子１として低オン抵抗として有利な炭化珪素（ＳｉＣ）を基板とした高価な素子が提案されているが、アルミニウム線の線径に通常市販される０．５ｍｍΦを使用する場合、その接合部位は線径の３倍程度が必要となるため、パワー半導体素子１は１辺が２ｍｍ以上となる大きなサイズが必要となる。
【００１６】
また、アルミニウムの線膨張係数は２３．５ｐｐｍであり、銅は１７．０ｐｐｍと小さく、炭化珪素（ＳｉＣ）は４．１ｐｐｍ程度で、シリコンについても２．８ｐｐｍ程度と小さく、アルミニウムとの差が銅と比較して大きい。このことは、−６５℃〜１５０℃の温度サイクル試験を実施した場合、アルミニウム線を使用したパワー半導体装置は、パワー半導体素子１の結合部からクラックが成長するため銅線と比較して寿命が短いという問題もある。
【００１７】
更に、金属リードフレーム３に無酸素銅を使用する場合、この無酸素銅の軟化温度が通常２００℃程度であり、パワー半導体素子１と金属リードフレーム３の実装に半田２を使用すると、半田２の融点にプラス３０℃〜５０℃の作業温度が必要であることから、作業温度は２５０〜３００℃程度の高温となり、無酸素銅が軟化してしまう。従って、その後のプロセスの作業が困難となり、組立工程の自動化が妨げられるという問題がある。
【００１８】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、接合材として半田を使用することなく、音響機器用では音質の向上を図り、その他の用途を含めたパワー半導体装置においては、ボイド発生、部材酸化又は接合部の厚みの不均一等による接合強度のバラツキの発生等をなくすことができ、また無酸素銅の軟化による組立工程の自動化が妨げられることのないパワー半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、表裏面に電極が形成されたパワー半導体素子と、このパワー半導体素子を接合し、かつ放熱板としても機能する金属リードフレームとを設け、この金属リードフレームの一部を放熱のために露出させながら全体を樹脂封止してなるパワー半導体装置において、上記金属リードフレームに高純度（９９．９９％）の無酸素銅を用い、上記パワー半導体素子の基板に炭化珪素を用い、かつ該パワー半導体素子の表面電極としてチタン膜の上にアルミニウム膜を形成し、このパワー半導体素子の表面電極を上記金属リードフレームの内部リードに銅線にて接合する構成とし、上記パワー半導体素子の裏面電極として形成された金膜又は銀膜の上に、高純度（９９．９９％）の金又は銅からなる金属バンプを介して、上記金属リードフレームを接合してなることを特徴とする。
【００２０】
請求項２に係る発明は、表裏面に電極が形成されたパワー半導体素子を設け、このパワー半導体素子を金属リードフレームに接合するパワー半導体装置の製造方法において、上記パワー半導体素子の表面電極としてチタン膜の上にアルミニウム膜を形成し、このパワー半導体素子の表面電極を上記金属リードフレームの内部リードに銅線にて接合し、上記パワー半導体素子の表面電極又は裏面金属膜、又は上記金属リードフレームに、半田材でない金属バンプを形成し、上記パワー半導体素子の金属バンプを形成しない面の外周に、弾性体からなる凸部を設けると共に、上記金属リードフレームの金属バンプの形成又は圧接位置（半導体素子にバンプ形成する場合とリードフレームに形成する場合の両方）に予め窪みを設け、上記パワー半導体素子を金属バンプが配置されない面から加圧しながら、超音波振動を与えることにより、上記パワー半導体素子と上記金属リードフレームとを接合することを特徴とする。
請求項３の発明は、複数のパワー半導体素子が形成された集合基板の各パワー半導体素子に金属バンプを形成した後、この集合基板を切削することで、個々のパワー半導体素子を製作するとき、個々のパワー半導体素子の金属バンプ形成面の外周に、各パワー半導体素子間の境界を識別する隙間を残した状態で、弾性体からなる凸部を設けたことを特徴とする。
【００２１】
請求項４の発明は、上記パワー半導体素子の上記金属バンプが配置されない面で、搬送時（剥離時）に金属針により突き上げられる部分に、弾性体を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
請求項１，２のパワー半導体装置及びその製造方法によれば、パワー半導体素子の金属リードフレームへの接合材として、半田接合材を使用せず、電気的に有利な（比抵抗値が低く、熱伝導率の小さい）金、銀、銅等を使用するため、高放熱特性を有するパワー半導体装置等において応力的影響が小さくなり、接合部のクラック等をなくすことができる。即ち、線膨張係数で考えると、主に錫鉛系からなる半田の場合は２１〜２４（×１０−6／℃）程度であるのに対し、金属バンプは、銅：１７．０、金：１４．１、銀：１８．９、アルミニウム：２３、パラジウム：１１．８、チタン：８．６（×１０−6／℃）、パワー半導体素子の基板に使用される炭化珪素（ＳｉＣ）は４．１（×１０−6／℃）であるので、半田をパワー半導体素子の接合材として使用するよりも、上記の金属バンプで接合する方が応力的影響は小さくなる。そして、音響機器においては、感性的な音質の向上を図ることができ、金属バンプのレイアウト自由度も高いため、感性的に高い音質評価が得られるという利点がある。
【００２３】
また、半田を使用しないから、環境によく、半田濡れ性の影響による内部ボイドの発生もなく、接合強度や熱伝導性のばらつき等、ひいては電気抵抗や半導体素子からの熱拡散のばらつきを解消することができる。しかも、金属バンプの接続では、その本数、接合位置を任意に設定することで、上記ばらつき要因を良好に解消することが可能である。
更に、半田のような高温の接合プロセスを必要とせず、超音波振動を用いれば、室温から無酸素銅の軟化温度である２００℃以下の温度範囲でも接合が可能となる。
【００２４】
また、上記金属バンプの接合、そして超音波振動の接合によれば、金属バンプの潰し込み量が比較的制御し易く、バンプ接合部の厚み（Ｚ方向）を任意かつ一定に設定することができ、接合部の応力の影響（クラック等）がなくなる。即ち、半田の厚みが厚い場合は、金属リードフレームと半導体素子の線膨張係数差で生じる応力を緩和する効果が期待されているが、半田接合法では、半田が溶けた状態で半導体素子を接合するため半田の厚みを一定に制御することが難しく、ばらつきが生じる。これに対し、本発明は、バンプ接合部を任意かつ一定の厚みにでき、接続される各部材の線膨張係数差で生じる応力を緩和することが可能となる。
【００２５】
更に、金属バンプの周辺部はモールド樹脂の成型圧によって樹脂が注入され、パワー半導体素子は全体的に同一樹脂で封止されるため、局所的な応力の発生が生じない。即ち、一般的な半田は、モールド樹脂（エポキシ樹脂等）と接着することができないため、半田が濡れ広がった界面では樹脂が密着しておらず、これによる剥離が生じ、この剥離部分に水分が浸入することで、腐食や水蒸気爆発等、重大な信頼性不具合が生じていたが、本発明では、モールド樹脂が直接金属リードフレームへ接着することになり、上記のような不具合はなくなる。
【００２６】
また、パワー半導体素子の電極と金属線の接合において電極側のチタンと金属線である銅線が強固に接合されるから、接合信頼性が向上すると共に、十分な寿命が得られるという利点がある。
【００２７】
また、パワー半導体素子基板に用いられる炭化珪素は、オン抵抗が低いため、省電力化、小型化が促進できるという利点がある。
更に、上記パワー半導体素子の裏面電極に金又は銀を蒸着すると共に、金属バンプに高純度の金又は銅を用い、金属リードフレームを高純度の無酸素銅とすることにより、音響機器において更に高い音質特性を得ることができる。
【００２８】
上記製造方法によれば、パワー半導体素子の例えば裏面を上にして金属バンプを形成する工程では、回路面接触回避用の弾性体凸部により、電極が形成された例えば表面と集合基板台（ウェハー台）とが直接接触することが防止され、また金属バンプによる接合を行う工程では、上記パワー半導体素子の表面とボンディングツールとが直接接触することが防止され、パワー半導体素子自体又はその電極へのダメージが回避される。また、ボンディングツールの長寿命化にも繋がる。
また、金属リードフレーム上に設けた窪みにより、金属バンプ接合においてアンカー効果が発揮され、接合性の安定化が図れるという利点がある。
【００２９】
上記請求項３の発明によれば、パワー半導体素子間の弾性体凸部の境界が切削ラインとなり、他の識別手段を施すことなく、ダイシングが可能となり、また弾性体凸部が金属バンプを形成するときのアライメント（位置決め）マークとなり、正確な位置への金属バンプの形成が可能となる。
【００３０】
上記請求項４の構成によれば、個片化されたパワー半導体素子が突上げ針によりダイシングテープから剥離される際に、パワー半導体素子の突上げ面が弾性体（膜等）により保護され、パワー半導体素子自体又はその電極へダメージが与えられることがない。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１実施例に係るパワー半導体装置（ダイオード）の構成を示し、図（Ａ）は樹脂を透視した状態の側面図、図（Ｂ）は樹脂を透視した状態の平面図である。
【図２】第１実施例のパワー半導体素子の構成を示す断面図である。
【図３】実施例のパワー半導体素子における金属バンプの配置例を示す図である。
【図４】本発明の第２実施例のパワー半導体装置の製造方法で製作されるパワー半導体素子の構成を示し、図（Ａ）は表面側の図、図（Ｂ）は裏面側の図である。
【図５】第２実施例において金属バンプを形成する工程の一例を示す図である。
【図６】第２実施例において金属バンプを形成する工程の他の例を示す図である。
【図７】第２実施例においてウェハー上のパワー半導体素子の集合基板のダイシング工程を示す図である。
【図８】第２実施例においてダイシングテープからのパワー半導体素子の取出し（ピックアップ）を示す図である。
【図９】第２実施例でのパワー半導体素子と金属リードフレームの接合工程の一例を示す図である。
【図１０】第２実施例でのパワー半導体素子と金属リードフレームの接合工程の他の例を示す図である。
【図１１】従来のパワー半導体装置（ダイオード）の構成を示し、図（Ａ）は樹脂を透視した状態の側面図、図（Ｂ）は樹脂を透視した状態の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図１には、本発明の第１実施例に係るパワー半導体装置（ダイオード）の構成が示されている。この第１実施例は、図１１と同様に、パワー半導体素子１０の裏面電極（カソード）１２を比較的大きな面積の金属リードフレーム１３に接続する構成であり、この裏面電極１２と金属リードフレーム１３の接合に金属バンプ（スタッドバンプ）１４を用いる。また、金属リードフレーム１３の内部リード部１５とパワー半導体素子１０の表面電極（アノード）１１を金属線１６により接続し、全体を樹脂６にて封止する構成となり、上記金属リードフレーム１３には外部電極１７ａ、内部リード部１５には外部電極１７ｂが接続される。更に、金属リードフレーム１３の端部には、金属リードフレーム１３と樹脂６を共に貫通する取付け用の孔８が形成されている。実施例では、上記金属リードフレーム１３に例えば純度９９．９９％の無酸素銅を用い、上記金属線１６に銅線又はアルミニウム線を使用している。
【００３３】
図２には、パワー半導体素子１０の断面構造が示されており、このパワー半導体素子１０の基板（基材）１９は、炭化珪素（ＳｉＣ）からなり（シリコン等でもよい）、その裏面電極（カソード面）１２には基板側から順にチタン（Ｔｉ）膜１２ａ、ニッケル（Ｎｉ）膜１２ｂ、金（Ａｕ）膜又は銀（Ａｇ）膜１２ｃが蒸着・形成され、表面電極（アノード面）１１には、基板側から順にチタン（Ｔｉ）膜１１ａ、アルミニウム（Ａｌ）膜１１ｂが蒸着・形成され、この表面電極１１の周囲には、ポリイミド等からなる弾性体凸部（保護膜）２０が形成される。また、実施例では、裏面電極１２側の金属バンプ１４の材料として、金（例えば純度９９．９９％）、銀、銅（例えば純度９９．９９％）、アルミニウム、パラジウム（Ｐｄ）又はチタンのいずれか又はこれらを組み合わせた材料、或いはＧａＮ（窒化ガリウム）、Ｇａ２Ｏ３（酸化ガリウム）等が用いられ、この金属バンプ１４によるスタッドバンプ工法による接合が行われる。これらの中では、特に、金、銀、銅が好適である。
【００３４】
図３（Ａ）〜（Ｄ）には、上記金属バンプ１４の配置例が示されており、図示のように、パワー半導体素子１０の裏面電極側に形成可能な金属バンプ１４は、自由度の高いレイアウトで配置することができる。即ち、この金属バンプ１４の数は、後述の熱伝導性や溶断電流等の試算により算出でき、半田接合では一般に上記裏面電極１２にボイドが発生することが多く、電流密度の偏りが音質に影響する懸念が指摘されているが、金属バンプ１４のレイアウトによって音質に関する大きな影響が感性的に認められており、金属バンプ１４の接合であれば自由度の高いレイアウトで音質を改善できる。
【００３５】
また、パワー半導体素子１０が実装される金属リードフレーム１３に無酸素銅材を適用し、この金属リードフレーム上に銀又はパラジウムめっきを施し、超音波接合を適用することで、金属リードフレーム１３への低温実装が可能になる。また、条件により上記金属リードフレーム１３はめっきなし或いは銅めっきとした場合、金属バンプ１４と金属リードフレーム１３との接合では、合金層が形成されることはない。
【００３６】
上記パワー半導体素子１０を上記金属リードフレーム１３に実装した後は、パワー半導体素子１０の表面電極１１と金属リードフレーム１３の内部電極（と同一材料で形成される）が金属線１６で接続され、この後、金型成型法によるエポキシ樹脂等の封止材を金型内へ圧力を加えながら成型することで、パワー半導体装置の成型ができ、このときの金型温度や樹脂硬化温度は１５０〜１８０℃で可能であるから、無酸素銅の軟化温度を超えることはない。
【００３７】
このような第１実施例の構成では、パワー半導体素子１０と金属リードフレーム１３の接合材に半田を使用せず、金又は銅等からなる金属バンプ１４を用いていることから、パワー半導体素子１０から金属リードフレーム１３への熱伝導率が向上することになる。この熱伝導性の向上を図るためには、金属バンプ１４の数をどの程度に設定するかが重要であり、次の熱抵抗簡易計算式で求めることができる。
【００３８】
［熱抵抗簡易計算式］
Ｒ＝ｂ／（λ・ａ）［℃／Ｗ］  …  （１）
但し、Ｒ：熱抵抗値、ａ：断面積［ｍ２］、ｂ：厚み［ｍｍ］、λ：熱伝導度［Ｗ／（ｍ・℃）］である。
例えば、金のλＡｕは２９５［Ｗ／ｍ・℃］で、パワー半導体素子１０と金属リードフレーム１３に使用される半田は、一般に鉛含有率が高い高温半田が使用されるため、λＰｂＳｎを３５［Ｗ／ｍ・℃］とすると、厚みが同じであれば、断面積は半田の約１／８で同等となるから、その倍以上の断面積となる金バンプを確保すればよいことになる。また、銅の熱伝導率は３９１［Ｗ／ｍ・℃］であるから、熱伝導率では、銅は金より更に有利な設計とすることができる。
【００３９】
また、金属バンプの溶断電流値は、一般的に知られている次の（２），（３）式によって算出されるので、この溶断電流値から設計上必要となる金属バンプ数を算出することが可能である。
［溶断電流式／Ａｕ］
Ｉｆ＝ｄ０２×１０２×ＳＱＲＴ（２．９４１×Ｔｆ−１＋１．８８５×１０３×Ｌ０−２）…（２）
［溶断電流式／Ｃｕ］
Ｉｆ＝ｄ０２×１０２×ＳＱＲＴ（６．８１６×Ｔｆ−１＋２．７７０×１０３×Ｌ０−２）…（３）
但し、Ｉｆ：溶断電流［Ａ］、ｄ０：バンプ径［ｍｍ］、Ｔｆ：溶断時間［ｓｅｃ］、Ｌ０：バンプ高さ［ｍｍ］
例えば、上記式（２）において、バンプ径ｄ０＝０．１ｍｍ、バンプ高さＬ０＝０．０５ｍｍ、溶断時間Ｔｆ＝５秒とすると、溶断電流値は８６８Ａと算出されるため、相当な余裕があると見込まれる。また、半田の電気抵抗率が１１〜１５μΩ・ｃｍであるのに対し、金は２．３μΩ・ｃｍ、銅は１．６７μΩ・ｃｍであるから、接合部材として有利であり、また半田は融点が１８３℃〜２７０℃程度となるのに対し、金の融点が１０６３℃、銅の融点が１０８３℃であるから、金や銅は金属バンプとして圧倒的に有利であることが分かる。例えば、ベタ付けの半田に対して金バンプであれば、最低１２個、銅バンプであれば、最低９個設けさえすれば、接合部に流れる電流により発生するジュール熱に対して同等の耐性が得られる。
【００４０】
第１実施例によれば、高放熱特性を有するパワー半導体装置において、応力的影響が小さくなり、接合部のクラック等をなくすことができ、金属バンプのレイアウト自由度も高いため、音響機器に使用される場合、感性的に高い音質が得られる。この音響機器用に使用する場合、上記金属リードフレーム１３を無酸素銅とし、パワー半導体素子１０の裏面１２との接合に、金又は銅の金属バンプ１４を使用することで、更なる音質向上を見込むことができる。また、環境によく、接合時の内部ボイドの発生もなく、接合強度や熱伝導性のばらつき、電気抵抗や熱拡散のばらつきを解消することができる。
【００４１】
また、パワー半導体素子１０の表面電極１１を内部リード１５に接続する場合、金属線１６として、アルミニウム線又は銅線を用いるので、超音波振動により無酸素銅の軟化温度以下で作業することができる。特に、金属線１６に銅線を用いた場合は、超音波振動によって表面電極１１の上層のアルミニウムの掃き出し（スプラッシュ）が生じ、銅線の下からアルミニウム層１１ｂが消失するが、この層１１ｂの下のチタン層１１ａはアルミニウムより硬度が高く、スプラッシュが生じない。従って、チタン膜１１ａと銅線（金属線１６）が強固に接合され、これにより、接合信頼性が向上し、十分な寿命も得られるという利点がある。実際に、接合断面を確認すると、銅線はチタン層１１ａとの強固な密着層が形成され、−６５〜１５０℃の温度サイクルにおいても、３０００サイクル以上の信頼性があることが実証されている。
【００４２】
更に、パワー半導体素子１０の炭化珪素からなる基板１９は、オン抵抗が低いため、省電力化、小型化の促進が可能となる。
【００４３】
図４には、第２実施例に係るパワー半導体装置の製造方法で得られるパワー半導体素子（ダイオード）の構成が示され、図（Ａ）は、パワー半導体素子２２の表面側、図（Ｂ）は裏面側の図である。このパワー半導体素子２２の表面（電極）２３には、１〜５μｍのアルミニウム膜が蒸着され、裏面（電極）２４には、第１実施例と同様に、基板側からチタン膜−ニッケル膜−金又は銀膜が形成されるが、チタン膜−アルミニウム膜を形成してもよい。第２実施例でも、この裏面２４側に高さ２５〜５０μｍ程度の金属バンプ２５が配置される。なお、上記表面２３において金属バンプによる接合を実施することも可能であり、この金属バンプとして金を用いる際は、ニッケル膜の下地を用い、金属バンプとして銅を用いる場合は、チタン膜を用いるとよい。
【００４４】
そして、上記パワー半導体素子２２の表面２３の外周部には、ポリイミド又はレジスト等からなる回路面接触回避用の弾性体凸部（膜）２７が厚み３〜５μｍ、幅０．０１〜０．１ｍｍで方形輪状に形成されると共に、その中央部には、突上げ針の保護用として、厚み３〜５μｍのポリイミド又はレジスト等からなる弾性体凸部（膜）２８が形成される。この弾性体凸部２８は、突き上げ針の先端径に合せ、０．１〜１．０ｍｍΦの大きさとされており、これらの弾性体凸部２７と２８は、同時に形成され、他の部分はエッチングで除去される。また、パワー半導体素子２２の裏面２４の外周部にも、同様に厚み３〜５μｍ、幅０．０１〜０．１ｍｍで方形輪状の弾性体凸部（膜）２９が形成される。
【００４５】
上記弾性体凸部２７は、図４（Ｂ）の状態で、裏面（電極）２４に金属バンプ２５を形成する際に、パワー半導体素子２２の表面２３と集合基板（ウェハー）台面との接触を防止し、また金属バンプ接合を行う際にも、表面２３とボンディングツールとの接触を防止する役目をし、上記弾性体凸部２９は、その外側の隙間（素子２２間の隙間）が個片化ダイシング時の切断ラインの役目、金属バンプ形成時のアライメントマークの役目をする。
【００４６】
図５には、金属バンプをスタッドバンプボンダーにより形成するバンプ形成工程が示されており、この工程では、図５（Ａ）に示されるように、多数のパワー半導体素子回路を形成した集合基板（ウェハー）３１がその金属バンプ形成面（裏面側）を上側にしてボンディングステージ上に設置される。このとき、集合基板３１には、パワー半導体素子毎に弾性体凸部２７，２８が形成されているため、表面とボンディングステージ面が接触することがなく、パワー半導体素子回路に傷やダメージを生じさせることがない。
【００４７】
このバンプ形成工程では、図５（Ａ）のように、スタッドバンプボンダーを構成するキャピラリー３２から金属バンプ２５の材料である金属細線３３が供給されるが、この金属細線３３として、１５〜２０μｍの線径を有する金，銅等が使用される。まず、この金属細線３３に対しトーチロッド３４により２０００〜３０００Ｖの高圧電荷が印加され、その放電現象によってボール３５が形成され、その後、集合基板３１の所定位置にステージ温度１００〜１５０℃で加熱・加圧し、超音波振動を発生させることにより金属バンプ２５が形成される。この金属バンプ２５が形成された後、金属細線３３は引きちぎりにより金属バンプ２５の先端から切断される。この引きちぎりを容易にするため、金属細線３３には所定間隔で潰し等が入れられている。このような動作を繰り返すことで、図５（Ｂ）のように、多数の金属バンプ２５がパワー半導体素子回路毎に形成されるが、この際には、弾性体凸部２９が金属バンプ形成のための位置決めのアライメントマークとして機能することになる。
【００４８】
図６には、金属リードフレームへ金属バンプを形成する場合のバンプ形成工程が示されており、この例では、ワイヤーボンダーを使用することで容易に金属バンプが形成できる。また、このバンプ形成工程では、金属リードフレーム１３に上記パワー半導体素子２２上に形成したような弾性体凸部２９がないため、図６（Ａ）のように、予め金属バンプ形成箇所にエッチングや金型法等により深さ３０〜５０μｍの窪み（凹部）３７を設けることが好ましい。そして、窪み３７に対し、図５の場合と同様にして金属バンプ２５が順に形成されることで、図６（Ｂ）のように、多数の金属バンプ２５がパワー半導体素子毎に形成される。また、上記の窪み３７は、金属バンプ２５のアンカー効果としても機能することになる。なお、金属バンプ２５の形成に銅ワイヤーを使用する場合、ボール形成において還元性雰囲気を追加した装置が必要である。
【００４９】
次に、図７には、パワー半導体素子を個片化するダンシング工程の様子が示されており、図７に示されるように、ウェハーリング（台）３８には搬送等のためにダイシングテープ（ＵＶテープ）３９が設けられ、このダイシングテープ３９の上に、バンプ形成工程が終了した集合基板（ウェハー）３１が配置されており、この集合基板３１がブレード４０（ダイシング法）によって個別化される。このときには、図４で説明したように、各パワー半導体素子２２の間の各弾性体凸部２９同士の隙間をダンシングラインＬｄとして切削が行われる。即ち、金属バンプ２５が形成された裏面を下にしてダイシングをする場合は、金属バンプ２５の高さが２５〜５０μｍ程度であり、このような高さの突起が多数配列された面をダイシングテープ３９に貼り付けるためには、８０〜１５０μｍのテープの糊厚が必要となるため現実的ではない。そこで、実施例では、金属バンプ形成面ではない表面側をダイシングテープ３９に貼り付けるが、この場合は、通常の集合基板３１の裏面側には全面に電極２４が形成されているため、目印となるダイシングラインがなく切削できないが、弾性体凸部２９を設けたことで、隣接するパワー半導体素子間の弾性体凸部２９間を目印にして（位置合せして）ブレード４０で切削し、パワー半導体素子２２を個片化することができる。
【００５０】
図８には、上記ダンシング工程後の各パワー半導体素子の取出し（ピックアップ）の様子が示されており、ここでは、集合基板３１から切り離された個々のパワー半導体素子２２がウェハーリング３８上のダイシングテープ３９（ＵＶ照射により粘着力を低下させた後）から剥がされながらピックアップされる。即ち、パワー半導体素子２２は、ダイシングテープ３９の下側より突上げ針４１によって突き上げられると同時に、中空化された円柱形のツールであるコレット４２にて吸着されることで、ダイシングテープ３９から剥離され、このコレット４２の吸着力でパワー半導体素子２２が保持される。
【００５１】
このようなパワー半導体素子２２の突上げでは、突上げ針４１が弾性体凸部２８に接触するので、パワー半導体素子２２の表面２３が保護され、この半導体素子自体やその表面電極へのダメージが回避される。
【００５２】
図９には、金属バンプの接合工程（図５のように素子自体に金属バンプを設けた場合の接合工程）が示されており、図８のコレット４２で吸着保持されたパワー半導体素子２２は、ボンディングツール（中心部からのエアー吸着により保持するもの）４３に受け渡された後、このボンディングツール４３によって、図９（Ａ）のように、金属リードフレーム１３の接合位置に加熱・圧接される。このときの加熱温度は、例えば室温（又は１００℃）〜１５０℃で、接合荷重を金属バンプ当り０．２〜０．５Ｎとし、超音波振動（４０〜６０ｋＨｚ）を与えながら接合が行われる（図９（Ｂ））。即ち、ボンディングツール４３は超音波ホーンの先端部に取り付け固定されており、超音波ホーンがホーン長方向へ弾性振動を起こすのに同期して、ボンディングツール４３が超音波ホーン長方向に揺動することで、超音波振動が発生する。なお、金属リードフレーム１３や金属バンプ２５に対するクリーンルーム内の汚染の影響で接合が不完全になる恐れがある場合は、Ａｒプラズマ及び窒素雰囲気での保管等の管理を行うことで安定化することが可能である。
【００５３】
そして、このような金属バンプ接合工程では、圧接時及び超音波振動時においてパワー半導体素子２２の表面２３に形成された弾性体凸部２７が表面２３とボンディングツール４３との接触をなくし、パワー半導体素子２２の表面電極（又は回路部）に傷やダメージが生じるのを防ぐことになる。また、ボンディングツール４３においても、パワー半導体素子２２との直接的な接触が避けられるため、ボンディングツール４３の滑りによる磨耗の発生が低下し、長寿命化が可能となる。即ち、従来、弾性体凸部２７がない場合には、ボンディングツール４３の先端面とパワー半導体素子２２の吸着面との間で、超音波振動方向で滑りが発生し、ボンディングツール４３の先端面が磨耗すると共に、この両者間の摩擦力が低下し超音波振動方向の滑りが更に悪化することで、接合不良を引き起こすことから、ボンディングツール４３は短い期間で定期交換が行われるが、弾性体凸部２７を設けたことで、ボンディングツール４３を長い期間使用することができるという利点がある。
【００５４】
図１０には、金属バンプの接合工程（図６のようにリードフレームに金属バンプを設けた場合の接合工程）が示されており、この場合は、図６のように金属リードフレーム１３に形成した金属バンプ２５に対し、金属バンプを設けずにコレット４２で吸着保持されたパワー半導体素子４４の所定位置を上記と同様にして圧接し、超音波振動を与えることで接合が行われる。
【００５５】
上記のような超音波振動による金属バンプ接合によれば、金属バンプ２５の潰し込み量が制御し易く、半田接合に比較して、バンプ接合部の厚み（縦方向）を任意かつ一定に設定することができ、応力の発生、クラックの発生等がなくなるという利点がある。
【符号の説明】
【００５６】
１，１０，２２，４４…パワー半導体素子、  ２…半田、
３，１３…金属リードフレーム、  ４，１５…内部リード部、
５，１６…金属線、          ６…封止樹脂、
１１…表面電極、            １２…裏面電極、
１４，２５…金属バンプ、    ３１…集合基板、
２３…表面（電極）、          ２４…裏面（電極）、
２７，２８，２９…弾性体凸部（膜）、
３９…ダイシングテープ、    ４２…コレット、
４１…突上げ針、            ４３…ボンディングツール。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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