(57)【要約】【課題】半導体チップの上面電極に半田接合したヒートスプレッダに接続導体としてストラップ状の金属箔を超音波接合した構成の半導体装置おいて、半導体チップ／ヒートスプレッダ間の半田接合層にクラックが発生するのを抑制して、ヒートスプレッダ／金属箔の超音波接合が行えるようにする。【解決手段】絶縁基板２にマウントしたＩＧＢＴ（パワー半導体チップ）４の上面にヒートスプレッダ６を載置してＩＧＢＴの上面主電極に半田接合した上で、ヒートスプレッダ（一辺長Ａの正方形）の上面に接続導体としてストラップ状の金属箔８を重ねせて超音波接合するに際し、ヒートスプレッダ／金属箔間の接合面域をヒートスプレッダの周域に幅Ｃの余白を残してその内側面域（一辺長Ｂ（Ｂ＝Ａ−２Ｃ）の正方形）に限定した上で、この接合面域に合わせてヘッド面積を設定した超音波ボンディングツール９を金属箔の上面に位置決めセットして超音波接合する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板にマウントした半導体チップに対し、その上面主電極に金属製のヒートスプレッダを半田材で面接合した上で、該ヒートスプレッダの上面に配線リード部材としてストラップ状の金属箔を接合した半導体装置において、
前記ヒートスプレッダと金属箔との間の接合面をヒートスプレッダの周域に余白を残した内側面域に限定して超音波接合したことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置において、金属箔をヒートスプレッダの外形サイズよりも狭幅な金属箔とした上で、該金属箔をヒートスプレッダの周縁より余白を残した内側面域に重ね合わせて超音波接合したことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１記載の半導体装置において、ヒートスプレッダの上面にその周域に余白を残して凸段部を形成した上で、該凸段部の上に金属箔を重ね合わせて超音波接合したことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の半導体装置において、金属箔の超音波接合に用いるボンディングツールのヘッド面積をヒートスプレッダの外形サイズよりも一回り小さく設定した上で、該ボンディングツールのヘッドを金属箔の接合面域に位置合わせして超音波接合を行うことを特徴とする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、電力変換装置などに適用するパワー半導体モジュールを対象とした半導体装置，およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年になり、電力変換装置に適用するパワー半導体モジュールの小型化，大電流化が進んでおり、これに伴いパワー半導体モジュールに搭載するパワー半導体デバイス（例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor））等の半導体チップは高い電流密度で通電使用されることが多いことから、その発熱密度の増加に対する放熱対策が重要課題となっている。
すなわち、ＩＧＢＴなどのパワー半導体デバイスでは、半導体チップの接合部温度Ｔjに上限保証温度（例えば１２５℃）が規定されている。これに対して、放熱用金属ベース板に絶縁基板を介して半導体チップをマウントした片面冷却方式の半導体パッケージは、半導体チップの上面側がパッケージ内に充填した封止樹脂で封止されているためにチップの上面側からの放熱は殆ど期待できない。このために半導体チップの小型,大電流化に伴いチップの発熱密度（発熱密度の分布はチップの中央に集中し、周辺では低い）が増大すると、半導体チップの上面電極に接続する配線リードとしてアルミワイヤ(線径φ３００〜４００μｍ)をボンディングした在来の配線構造では、チップ温度を保証温度以下に抑えることが困難であるばかりか、アルミワイヤのジュール発熱も加わってワイヤ溶断のおそれもあってヒートサイクル，パワーサイクル耐量の低下が懸念される。
【０００３】
一方、半導体チップの上面からの放熱性を高めるための手段として、前記のアルミワイヤに代えて金属箔などのストラップ状接続導体を半導体チップの上面主電極に接合し、この金属箔を伝熱経路としてチップの発生熱をチップ上面側からも放熱させるようにした構成のものが公知である（例えば、特許文献１参照）。
また、前記手段とは別に、半導体チップの放熱性向上および発熱密度の集中緩和を図る手段として、半導体チップの上面側に熱拡散部材として高熱伝導性の金属ブロックで作られたヒートスプレッダを半田付け，あるいは熱伝導性樹脂の接着剤で伝熱的に接合し、このヒートスプレッダを伝熱経路として半導体チップの中央部分に集中する発熱をチップ周域に分散させて半導体チップ全体での温度分布を平均化させるようにした構成のものも知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
そこで、発明者等は、半導体チップの上面側からの放熱性を高めてより過酷な使用条件に対応可能にする半導体モジュールの組立構造として、前記した金属箔の接続導体とヒートスプレッダを巧みに組み合わせ、銅，アルミなどの伝熱，導電材で作られたヒートスプレッダを半導体チップの上面主電極（ＩＧＢＴのエミッタ電極）半田接合した上で、さらにこのヒートスプレッダの上面に接続導体として金属箔を超音波接合した構成になるパワー半導体モジュールを本発明と同一出願人より特願２００４−２９３６６２号として先に提案している。
次にその半導体モジュールのパッケージ組立構造を図４（ａ），（ｂ）に示す。図において、１は金属ベース板（銅ベース）、２はセラミックス基板２ａの表，裏両面に導体パターン２ｂ，２ｃ，２ｄを形成して金属ベース１の上に搭載した絶縁基板（例えば、Direct Copper Bonding基板）、３は絶縁基板２を金属ベース１に接合した半田層、４は半導体チップ(ＩＧＢＴ)、５は半導体チップ４の下面電極（コレクタ電極）を絶縁基板２の導体パターン２ｂ（コレクタパターン）に接合した半田層、６は半導体チップ4の上面電極（エミッタ電極）の上面に載置したヒートスプレッダ、７はヒートスプレッダ７の下面と半導体チップ４の上面電極面との間を接合した半田層、８は半導体チップ４の上面に載置したヒートスプレッダ７と絶縁基板２の導体パターン２ｃ（エミッタパターン）との間に配線して超音波接合したストラップ状の金属箔（アルミ箔）である。なお、図示してないが、前記組立体に外囲樹脂ケースを組み付けた上で、該ケース内に封止樹脂を充填して半導体モジュールを構成している。
【０００５】
ここで、先記モジュールの組立工程で、ヒートスプレッダ６の上面に金属箔８を超音波接合するには、図５で示すようにヒートスプレッダ６の上に金属箔８の端部を重ね合わせた上で、その上に超音波ボンディングツール９のツールヘッドを当てがい、この状態でボンディングツール９に押圧荷重と超音波振動を加えて金属箔／ヒートスプレッダ間を超音波接合する。なお、図中で４ａ，４ｂは半導体チップ４の上面主電極（エミッタ），下面電極（コレクタ）であり、該下面電極４ｂと絶縁基板の導体パターン４ｂとの間、および上面主電極４ａとヒートスプレッダ６との間が半田接合されている。
なお、半導体チップの上面主電極に接続導体としてストラップ状の金属箔を半導体チップの上面電極に直接超音波接合してリードフレームとの間にまたがって配線した半導体装置が公知（例えば、特許文献３参照）であるが、この特許文献３には半導体チップの上面電極に半田接合したヒートスプレッダの上面に金属箔を超音波接合すること，および超音波接合に伴う超音波振動がヒートスプレッダ／半導体チップの半田接合部に与える影響については開示がない。
【特許文献１】特開２００１−３３２６６４号公報
【特許文献２】特開２０００−３０７０５８号公報
【特許文献３】特開平２００２−３１３８５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、図５で述べたように半導体チップ４の上面主電極４ａにヒートスプレッダ５を半田材にて面接合した上で、ヒートスプレッダ６の上面に重ねた金属箔８を超音波ボンディングツール９により超音波接合して製作した半導体モジュールの供試体について発明者等が検証したところ、図６で示すようにヒートスプレッダ６と半導体チップ４との間を接合した半田層７の周縁部分にクラックの発生することが認められた。
このクラック発生の原因は次のことによると推測される。すなわち、金属箔８の接合面全域に押し当てた超音波ボンディングツール９のツールヘッドに押圧荷重を掛けた状態で超音波振動を加えると、超音波接合の進行につれてヒートスプレッダ６と金属箔８との間の接合面積（金属同士の擦動により凝着した面積）が広がっていき、接合面積の拡大に伴いツールヘッドからヒートスプレッダ６を介してその裏面側に接合した半田層７に伝播される超音波振動エネルギーが大きくなる。このために、前記の半田接合層に作用する応力が増大してクラックが発生するものと考えられる。この場合に、図示のようにヒートスプレッダ６の全面域にボンディングツール９のヘッドを押し当てて超音波接合を行うと、押圧荷重，および超音波振動エネルギーの伝播とともに半田層７の周縁部分に応力が集中するために、クラックが半田層の周縁部分に集中し多く発生するようになる。
【０００７】
しかも、超音波接合工程で半田層７にクラックが発生すると、その発生クラックが微小なものであっても、半導体モジュールの実使用時に加わるヒートサイクル，パワーサイクルによってクラックが成長し、これが基で半導体チップ４とヒートスプレッダ６間の伝熱性および接続導体としての金属箔８との間の導電性にも悪影響して半導体モジュールの信頼性が低下する。
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、図４に示した組立構造になる半導体モジュールを対象に、半導体チップ／ヒートスプレッダ間の半田接合層にクラックが発生するのを抑制して超音波接合が行えるようにした信頼性の高い半導体装置およ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】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明によれば、絶縁基板にマウントした半導体チップに対し、その上面主電極に金属製のヒートスプレッダを半田材で面接合した上で、該ヒートスプレッダの上面に配線リード部材としてストラップ状の金属箔を接合した半導体装置において、
前記ヒートスプレッダと金属箔との間の接合面をヒートスプレッダの周域に余白を残した内側面域に限定して超音波接合するものとし（請求項１）、具体的には次記のような態様で実現できる。
（１）金属箔をヒートスプレッダの外形サイズよりも狭幅な金属箔とした上で、該金属箔をヒートスプレッダの周縁より余白を残した内側面域に重ね合わせて超音波接合する（請求項２）。
（２）ヒートスプレッダの上面にその周域に余白を残して凸段部を形成した上で、該凸段部の上に金属箔を重ね合わせて超音波接合する（請求項３）。
（３）さらに、前記金属箔の超音波接合に用いるボンディングツールについては、該ボンディングツールのヘッド面積をヒートスプレッダの外形サイズよりも一回り小さく設定した上で、該ボンディングツールのヘッドを金属箔の接合面域に位置合わせして超音波接合を行うようにする（請求項４）。
【発明の効果】
【０００９】
上記のように半導体チップの上面主電極に半田接合したヒートスプレッダの上面に接合する接続導体の金属箔に対し、半導体チップからの電流取り出しに必要なヒートスプレッダ／金属箔との間の接合面域をヒートスプレッダの周域に余白を残した内側面域に限定した上で、この接合面域に超音波ボンディングツールのヘッドを押し当てて超音波接合することにより、ヒートスプレッダの周縁余白部分にはボンディングツールの押圧荷重が直接加わることがなくなるので、ヒートスプレッダの裏面側に接合した半田層の周縁部分に伝播する超音波振動のエネルギーも低くなる。この結果、超音波接合過程でヒートスプレッダ／半導体チップ間の半田接合層に対する周縁部分への応力集中も低減して半田接合層のクラック発生が効果的に抑制され、これによりクラック発生を伴うこと無しに金属箔をヒートスプレッダに超音波接合することができて半導体モジュールの信頼性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を図１，図２，図３に示す実施例に基づいて説明する。なお、実施例の図中で図４〜図６に対応する部材には同じ符号を付してその説明は省略する。
【実施例１】
【００１１】
まず、本発明の基本的な実施例を図１（ａ），（ｂ）で説明する。この実施例は図５に示した半導体モジュールの組立構造と同じであるが、半導体チップ４の上面主電極４ａに半田材で面接合したヒートスプレッダ６の上面に接続導体としてストラップ状金属箔８を超音波接合するに際し、ヒートスプレッダ／金属箔間の接合面を次記のよう面域に限定し、かつこの接合面域に合わせて超音波接合に用いる超音波ボンディングツール９のヘッド面積（金属箔８に押し当てるヘッド面積）を設定して超音波接合を行うようにしている。
すなわち、銅，アルミなどの伝熱，導電材で作られたヒートスプレッダ６はその一辺の長さＡの正方形であって、金属箔８との間の接合面域をヒートスプレッダ６の上面周域に幅Ｃの余白を残した内周面域に限定し、その接合面域の辺長ＢをＢ＝Ａ−２Ｃに設定している。なお、この接合面域の面積は、当然のことながら超音波接合後の状態でも必要の通電が確保できるように設定しておくものとする。また、この接合面域に合わせて超音波ボンディングツール９のヘッド面積もＢ×Ｂの正方形に設定した上で、超音波接合工程では超音波ボンディングツール９のヘッドを図示のようにヒートスプレッダ６の上面に重ね合わせた金属箔８に対して前記接合面域に位置を合わせ、この状態で超音波ボンディングツール９に押圧荷重と超音波振動を加えて金属箔／ヒートスプレッダ間を超音波接合するようにする。なお、８ａはボンディングツール９の押圧荷重で金属箔８の表面に生じた凹み痕跡を表している。
【００１２】
上記の接合条件でヒートスプレッダ／金属箔間を超音波接合すると、超音波ボンディングツール９の押圧荷重はヒートスプレッダ６の周縁余白部分には直接加わらず、かつツールヘッドより金属箔９との凝着接合面を通じてヒートスプレッダ６の周縁部分に伝播する超音波振動エネルギーも低減する。これにより、ヒートスプレッダ６と半導体チップ４との間を接合した半田層７の周縁部分に作用する応力も小さくなってクラック（図６参照）の発生が効果的に抑制される。
【実施例２】
【００１３】
次に、先記の実施例１をベースにした本発明の請求項２に対応する実施例を図２（ａ），（ｂ）に示す。この実施例においては、ヒートスプレッダ６の上面に超音波接合するストラップ状の金属箔８の幅Ｗを図１に示した接合面域幅Ｂと同じ幅に設定しておく。そして、超音波接合に際してはヒートスプレッダ６の周域に幅Ｃの余白を残した内側面域に金属箔８を重ね合わせた上で、実施例１と同様なヘッド面積に定めた超音波ボンディングツール９を金属箔８の上にセットし、押圧荷重，超音波振動を加えて金属箔／ヒートスプレッダ間を超音波接合する。
これにより、実施例１と同様にヒートスプレッダ６の周縁余白部分には超音波ボンディングツール９の押圧荷重が直接加わらず、またこの部分に伝播する超音波振動エネルギーが低減し、ヒートスプレッダ／半導体チップ間を接合した半田層７のクラック発生を抑制しつつヒートスプレッダ／金属箔間の超音波接合を行うことができる。
【実施例３】
【００１４】
次に、本発明の請求項３に対応する実施例を図３（ａ），（ｂ）に示す。この実施例においては、半導体チップ４の上面主電極に半田接合するヒートスプレッダ６について、その上面側には周域に幅Ｃの余白を残してその内周面域（先記実施例１で規定した接合面域に相応する）に一辺の長さＤとして余白部分から一段高くした正方形の凸段部６ａを形成しておく。
そして、金属箔８を超音波接合する際に、前記凸段部６ａの上に金属箔８を重ね合わせた上で、超音波ボンディングツール９を金属箔８の上にセットし、押圧荷重，超音波振動を加えて金属箔／ヒートスプレッダ間を超音波接合する。これにより、実施例１，実施例２と同等な効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例１に係わる半導体装置の要部構成図で、（ａ），（ｂ）はそれぞれ側面図，および平面図
【図２】本発明の実施例２に係わる半導体装置の要部構成図で、（ａ），（ｂ）はそれぞれ側面図，および平面図
【図３】本発明の実施例３に係わる半導体装置の要部構成図で、（ａ），（ｂ）はそれぞれ側面図，および平面図
【図４】本発明の実施対象となる半導体装置の従来におけるモジュール組立構造を表す図
【図５】図４おけるヒートスプレッダの上面に金属箔を超音波接合する接合工程の説明図
【図６】図５の方法で超音波接合したモジュール組立体におけるヒートスプレッダの裏面の半田接合層にクラックが発生した状態を表す図
【符号の説明】
【００１６】
１    金属ベース
２    絶縁基板
２ｂ  導体パターン
４    ＩＧＢＴ（パワー半導体チップ）
６    ヒートスプレッダ
６ａ  凸段部
７    半田層
８    金属箔（接続導体）
９    超音波ボンディングツール
Ｃ    ヒートスプレッダ周域の余白幅
【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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