(57)【要約】【課題】  複数の部材を接合する際に、接合層や部材界面の強度を大幅に向上することができる接合構造を提供する。【解決手段】  半導体装置におけるリードフレーム３および放熱ベース５の表面、すなわち被接合部材の表面に、ナノオーダスケール（１μｍ未満）の寸法を有するスプリング状のナノ構造体から成るスプリング層４ａおよび４ｂを設け、スプリング層４ａとスプリング層４ｂを嵌合することによりリードフレーム３と放熱ベース５とを接合し、さらに、スプリング間に樹脂層４ｃを充填する。【選択図】図１
2015026634.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の部材と、第２の部材と、前記第１の部材と前記第２の部材とを接合する接合部と、を備える接合構造において、
前記接合部が、複数のスプリング状のナノ構造体を有することを特徴とする接合構造。
【請求項２】
請求項１に記載の接合構造において、前記複数のスプリング状のナノ構造体は、前記第１の部材および前記第２の部材の少なくとも一方の表面に設けられることを特徴とする接合構造。
【請求項３】
請求項２に記載の接合構造おいて、
前記接合部において、前記第１の部材の表面に設けられたスプリング状のナノ構造体と、前記第２の部材の表面に設けられたスプリング状のナノ構造体とが互に離れ、かつ樹脂が充填されていることを特徴とする接合構造。
【請求項４】
請求項２に記載の接合構造において、
前記接合部において、前記第１の部材の表面に設けられたスプリング状のナノ構造体と、前記第２の部材の表面に設けられたスプリング状のナノ構造体とが、互に嵌合していることを特徴とする接合構造。
【請求項５】
請求項３に記載の接合構造において、前記第１の部材の表面に設けられたスプリング状のナノ構造体と、前記第２の部材の表面に設けられたスプリング状のナノ構造体との少なくとも一方がコイル状であることを特徴とする接合構造。
【請求項６】
請求項３に記載の接合構造において、前記第１の部材の表面に設けられたスプリング状のナノ構造体と、前記第２の部材の表面に設けられたスプリング状のナノ構造体との少なくとも一方が複数本の直線部を有する多直線状であることを特徴とする接合構造。
【請求項７】
請求項４に記載の接合構造において、前記第１の部材の表面に設けられたスプリング状のナノ構造体と、前記第２の部材の表面に設けられたスプリング状のナノ構造体との少なくとも一方が、コイル状であることを特徴とする接合構造。
【請求項８】
請求項４に記載の接合構造において、前記第１の部材の表面に設けられたスプリング状のナノ構造体と、前記第２の部材の表面に設けられたスプリング状のナノ構造体との少なくとも一方が、複数の直線部を有する多直線状であることを特徴とする接合構造。
【請求項９】
請求項６または請求項８に記載の接合構造において、前記多直線状は三本以上の直線部を有することを特徴とする接合構造。
【請求項１０】
請求項３または請求項４に記載の接合構造において、前記第１の部材の表面に設けられたスプリング状のナノ構造体と、前記第２の部材の表面に設けられたスプリング状のナノ構造体との一方が、複数の直線部を有する多直線状であり、他方がコイル状であることを特徴とする接合構造。
【請求項１１】
請求項１０に記載の接合構造において、前記多直線状は三本以上の直線部を有することを特徴とする接合構造。
【請求項１２】
請求項３に記載の接合構造において、前記接合部では、前記スプリング状のナノ構造体が絶縁性セラミックで構成され、さらに、絶縁性樹脂が充填され、前記第１の部材と前記第２の部材とが絶縁性を有する前記接合部によって接合されることを特徴とする接合構造。
【請求項１３】
請求項４に記載の接合構造において、前記接合部では、前記スプリング状のナノ構造体が絶縁性セラミックで構成され、前記樹脂は絶縁性樹脂であり、前記第１の部材と前記第２の部材とが絶縁性を有する前記接合部によって接合されることを特徴とする接合構造。
【請求項１４】
請求項１１または請求項１２において、前記セラミックが窒化けい素であることを特徴とする接合構造。
【請求項１５】
半導体素子と、前記半導体素子が接合されるリードフレームと、前記リードフレームと接合される放熱ベースと、を備えた半導体装置において、
前記リードフレームと前記放熱ベースとを接合する接合部が、複数のスプリング状のナノ構造体を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項１６】
半導体素子と、前記半導体素子が接合されるリードフレームと、前記リードフレームと接合される放熱ベースと、前記半導体素子および前記リードフレーム並びに前記放熱ベースの各表面を被覆する樹脂と、を備えた半導体装置において、
前記リードフレームと前記樹脂との界面に、複数のスプリング状のナノ構造体が設けられることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合構造およびその接合構造を用いた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の部材を接合するために、はんだ付けや接着剤など、従来より、様々な接合技術が適用されている。そのような接合技術の中には、特許文献１および特許文献２に記載されているように、部材の接合面に、らせん状などの形状を有する小さな構造体を複数設け、本構造体同士の接触や、本構造体と他の構造体との接触により、複数の部材を接合する技術も知られている。
【０００３】
特許文献１に記載の技術では、幅２０ｍｍ、長さ５０ｍｍの銅シートの表面に、長さ５ｍｍのらせん状の接触導体を多数立設し、このような接触導体を絡み合わせることにより、銅シートどうしを接合する。
【０００４】
特許文献２に記載の技術では、半導体素子が取り付けられる回路実装基板上に、直径２０〜５０μｍのＡｕやＡｌ線からなる螺旋構造あるいは格子構造をした緩衝材を接着剤内部にランダムに複数配置した導電性弾性体が設けられる。この導電体弾性体に、半導体素子に設けられた金属バンプを差し込むことにより、半導体素子と回路実装基板が接合される。
【０００５】
上記のような特許文献１や特許文献２に記載の技術によれば、電気的または機械的あるいは熱的な接続の信頼性が向上する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２９９５０６号公報（段落００１６および００２０、図３）
【特許文献２】特開２００６−２８７０９１号公報（段落００３６および００４０、図１および２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
異なる部材を接合する接合構造に荷重や変位が作用する場合、被接合部材の間に配置される接合部の破断防止、被接合部材と接合部の界面はく離防止が問題となる。そのため、接合部自体や界面の強度の大きい接合構造が望まれる。
【０００８】
特に、パワー半導体デバイスなど、異なる材料からなる部材が組み合わされて用いられる装置では、熱応力が不可避的に発生する。また、装置の小型化や高密度化に伴って、熱応力が増加しており、今後もその傾向にある。このため、このような装置においては、上記の問題はより顕著である。
【０００９】
これに対し、前述の従来技術では、接合層や部材界面の強度を大幅に向上することが難しかった。
【００１０】
そこで、本発明は、複数の部材を接合する際に、接合層や部材界面の強度を大幅に向上することができる接合構造、およびその接合構造を用いた半導体装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明による接合構造においては、被接合部材間の接合部に、形状寸法が１μｍ未満すなわちナノオーダスケールの寸法を有するスプリング状のナノ構造体を設ける。
【００１２】
上記のような本発明の一態様は、第１の部材と、第２の部材と、第１の部材と第２の部材とを接合する接合部とを備える接合構造であり、本接合構造において、接合部が複数のスプリング状のナノ構造体を備える。
【００１３】
なお、第１および第２の部材は、導体，半導体，絶縁体のいずれであっても良い。また、スプリング状のナノ構造体は、金属材料などの導体材料や、セラミックス材料などの絶縁材料を用いることができる。また、スプリング形状としては、例えば、螺旋状すなわちコイル状や、互いに連結した複数の直線部を有する多直線状あるいは折れ線状などの形状とすることができる。
【００１４】
さらに、上記本発明による接合構造は、半導体装置における、リードフレームと放熱ベースとの接合や、リードフレームと封止樹脂との接合に適用できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ナノ構造体自体がバルク材料よりも強度が高くなること、および接合面に非常に多数のナノ構造体を配置できるため、接合部の機械的強度、および部材と接合部との界面の機械的強度が大幅に向上する。これらにより、接合の信頼性が大幅に向上する。
【００１６】
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１の実施例である半導体装置の断面模式図である。
【図２（ａ）】接合部の破壊モードを示す。
【図２（ｂ）】接合部の破壊モードを示す。
【図２（ｃ）】接合部の破壊モードを示す。
【図３（ａ）】第１の実施例の接合構造の製造方法を示す。
【図３（ｂ）】第１の実施例の接合構造の製造方法を示す。
【図３（ｃ）】第１の実施例の接合構造の製造方法を示す。
【図４（ａ）】第１の実施例の接合構造の製造方法を示す。
【図４（ｂ）】第１の実施例の接合構造の製造方法を示す。
【図４（ｃ）】第１の実施例の接合構造の製造方法を示す。
【図５】スプリング層の上面写真および断面写真である。
【図６】スプリング層の圧子押し込み試験装置の模式図である
【図７（ａ）】圧子押し込み試験の測定結果を示す。
【図７（ｂ）】圧子押し込み試験の測定結果を示す。
【図７（ｃ）】圧子押し込み試験の測定結果を示す。
【図８】第２の実施例である接合構造の断面模式図である。
【図９】接合構造の性質を示す。
【図１０】第３の実施例である接合構造の断面模式図である。
【図１１】多直線形状のスプリング層の断面写真である。
【図１２（ａ）】第４の実施例の接合構造の製造方法を示す。
【図１２（ｂ）】第４の実施例の接合構造の製造方法を示す。
【図１２（ｃ）】第４の実施例の接合構造の製造方法を示す。
【図１３】二直線形状のスプリングの変形挙動のシミュレーション結果を示す。
【図１４】三直線形状のスプリングの変形挙動のシミュレーション結果を示す。
【図１５（ａ）】第５の実施例である接合構造の断面模式図である。
【図１５（ｂ）】第５の実施例である接合構造の断面模式図である。
【図１５（ｃ）】第５の実施例である接合構造の断面模式図である。
【図１６】第６の実施例である接合構造の断面模式図である。
【図１７】第７の実施例である接合構造の断面模式図である。
【図１８】第８の実施例である半導体装置の断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１９】
図１は、本発明の第１の実施例である半導体装置の断面模式図である。
【００２０】
本実施例においては、半導体素子１がはんだ２を介して金属材料からなるリードフレーム３と接合され、そのリードフレーム３と金属材料からなる放熱ベース５が絶縁層４を含む接合部を介して接合されている。なお、これらの部材以外にも、半導体素子１上面に設けられた端子とリードフレームとを電気的に接続するワイヤや、半導体装置全体を封止する封止材、半導体装置と外部回路とを電気的に接続するための電極端子などが設けられるが、図１では省略している。
【００２１】
本実施例では、半導体素子１として、１辺約１０ｍｍ、厚さ約０．１ｍｍのシリコンチップに形成されたＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor)を用いている。なお、ＩＧＢＴは代表的なパワー半導体デバイスとして公知である。
【００２２】
リードフレーム３には厚さ約０．５ｍｍの銅を用いることで熱抵抗および電気抵抗を低減し、放熱ベース５にはアルミニウムを用いることで放熱性を確保しながら軽量化を図っている。このとき、絶縁層４において、リードフレーム３の表面に設けたスプリング層４ａと放熱ベース５の表面に設けたスプリング層４ｂが機械的に絡み合って嵌合すると共に、スプリング層間も含むリードフレーム３と放熱ベース５の間の空間に、充填部材として樹脂４ｃが充填されている。
【００２３】
スプリング層４ａ，４ｂにおいては、スプリング形状を有するナノ構造体（以下、単にスプリングと記す）が、複数あるいは多数配列されている。なお、本実施例においては、コイル状のスプリングが配列されている。ここで、ナノ構造体とは、その幾何学的寸法が、１μｍよりも小さなナノスケールである構造体である。
【００２４】
本実施例では、リードフレーム３の表面に設けたスプリング層４ａと放熱ベース５の表面に設けたスプリング層４ｂをそれぞれ窒化珪素製すなわちセラミックス製のスプリングで構成し、樹脂４ｃにエポキシ系樹脂を用いることで、リードフレーム３と放熱ベース５の間の電気的絶縁性を確保している。また、絶縁層４の厚さは、要求される絶縁性能に応じて１０〜１００μｍとする。スプリング層４ａ、４ｂにおいては、コイル状のスプリングが密に配置されている。各スプリングの形状は、線径が約４０ｎｍ、コイル外径が約１２０ｎｍ、コイルピッチが約１５０ｎｍであり、リードフレーム３や放熱ベース５から垂直方向に離れた位置ほど線径やコイル外径が大きくなる。
【００２５】
本実施例では、リードフレーム３に銅、放熱ベース５にアルミニウムを用いているので、絶縁層４は線膨張係数の異なる材料を接合している。このため、半導体素子１の動作発熱や使用環境温度の変化によって半導体装置の温度が変化すると、リードフレーム３と放熱ベース５の熱変形に差が生じるが、この変形差を絶縁層４で吸収する。本実施例では、絶縁層４が樹脂４ｃと低弾性なナノ構造体からなるスプリング層４ａ，４ｂで構成されているため、絶縁層４は、弾性率が低減され、確実に変形を吸収できる。
【００２６】
本実施例では、スプリング層４ａ，４ｂのナノ構造体の材料が絶縁性の高い窒化珪素であるため、リードフレーム３の表面に設けたスプリング層４ａと放熱ベース表面に設けたスプリング層４ｂが嵌合によって接触あるいは隣接しても、リードフレーム３と放熱ベース５の電気的絶縁性を確保できる。
【００２７】
図２は、接合部の代表的な破壊モードを示す。
【００２８】
図２（ａ）は被接合部の界面がはく離するモード、図２（ｂ）は接合層内部をき裂が進展するモード、図２（ｃ）はスプリングと充填樹脂の界面がはく離するモードである。
【００２９】
本実施例では、コイルピッチが約１５０ｎｍであることから、それぞれリードフレーム３の表面や放熱ベース５の表面の単位面積（１ｍｍ２）当たりに配置されるスプリングは約４×１０７本であり、線径が約４０ｎｍであることから界面の単位面積（１ｍｍ２）当たりのスプリングの面積はπ×（２０×１０−６）２×４×１０７＝０．０５ｍｍ２、すなわち総面積の５％である。窒化珪素のバルク材の強度は、一般に約７００ＭＰａ以上である。さらに、ナノスプリング層のスプリングを構成する材料は、ナノスケールの構造体であることから結晶内部に転位が発生し難く、後述する試験結果の様にバルク材よりも降伏応力や強度が２倍以上大きい。このことから、スプリングの強度をバルク材の２倍の１４００ＭＰａとすると、界面の強度は１４００ＭＰａの５％の７０ＭＰａとなる。これは樹脂４ｃに用いたエポキシ樹脂の強度より数倍大きい。このことから、本実施例の接合構造では、スプリング層を持たない接合構造と比較して図２（ａ）に示したような被接合部材と接合部との界面がはく離するモードに対して高い信頼性が得られる。
【００３０】
また、本実施例では、リードフレーム３の表面に設けたスプリング層４ａと放熱ベース５の表面に設けたスプリング層４ｂが嵌合しているため、絶縁層４が破断する場合には、少なくともリードフレーム３の表面に設けたスプリング層４ａと放熱ベース５の表面に設けたスプリング層４ｂのどちらかが断線することになる。したがって、接合層４を含む接合部の破壊強度は、少なくともスプリング層の強度相当になる。
【００３１】
上述の様に、スプリング層の強度は充填樹脂として用いたエポキシ樹脂の強度より数倍大きい。このことから、本実施例の接合構造では、図２（ｂ）に示したような接合部内部をき裂が進展するモードに対しても高い信頼性が得られる。
【００３２】
本実施例では、スプリングを密に並べて配置できるため、被接合部材の表面単位体積当たりに非常に多くのナノスプリングを配置できる。その結果、充填樹脂と３次元形状を持つスプリングの接合面積が大きくなる。スプリングと充填樹脂の界面の応力は、界面に負荷される荷重を接合面積で割った値であるため、接合面積の大きい本実施例では界面の応力を大幅に低減できる。このため、本実施例の接合構造では、図２（ｃ）に示すような、スプリングと充填樹脂の界面がはく離するモードに対しても高い信頼性が得られる。
【００３３】
ところで、マクロスケールの接合構造では、接合端部の近傍において、その他の領域よりも顕著に応力が大きくなる。これは、接合端部の応力分布が特異性を持つ応力特異場となるためであり、異材の接合端部では理論上応力は無限大となる。一般にこの応力特異性が表れるのは接合端部から数１０〜数１００ｎｍ以上の領域である。ところが、本実施例で用いるスプリング層では、ナノオーダの構造体が密に配置されており、マクロスケールで特異場となる領域にも複数の構造体が配列される。このため、スプリング層の端部では応力特異性が顕著には現れなくなり、接合端部での応力増加を防止できる。
【００３４】
以上のように、本実施例の接合構造によれば、接合部のいずれの破壊モードに対しても高い信頼性が得られる。すなわち、接合部自体や、接合部と被接合部材の界面の強度を大幅に向上することができる。
【００３５】
次に、図３（ａ）〜（ｃ）と図４（ａ）〜（ｃ）に、本実施例の接合構造の製造方法を示す。なお、本製造方法においては、例えば、文献、Takayuki Kitamura, et al, “FRACTURE NANOMECHANICS”, PAN STANFORD PUBLISHING(2011), ISBN 978-981-4241-83-0に記載されている、公知のナノ構造体製造方法を用いている。
【００３６】
はじめに、図３（ａ）に示すような被接合部材２１のスプリング層を形成する表面に、図３（ｂ）が示すように、真空蒸着法にて表面層２２を形成する。この表面層２２は、被接合部材２１と次工程で形成されるスプリングの接合性を高めると共に、被接合部材２１の表面粗さを整えて平坦化する。次に、図３（ｃ）に示すように、被接合部材２１のスプリング層を形成する表面に、斜め方向から真空蒸着法にて蒸着原子２３を堆積させる。このとき、被接合部材２１を回転させながら蒸着原子２３を堆積させることで、原子がコイル状に堆積し、被接合部材２１の表面に付着あるいは固着するコイル状のスプリング層２４が形成される。なお、スプリングは、その長さ方向が被接合部材２１の表面に垂直な方向になるように、被接合部材２１の表面上に立設される。
【００３７】
次に、図４（ａ）に示すように、被接合部材２１と被接合部材３１を、それぞれのナノスプリング層が形成された面が対面するように配置する。次に、図４（ｂ）が示すように、接合部材２１と被接合部材３１を押し付けることで、被接合部材２１の表面に設けたスプリング層２４と被接合部材３１の表面に設けたスプリング層３２が機械的に嵌合される。これにより、両被接合部材は、接合されて、互いに位置決めされる。このとき、スプリングの形状によっては、被接合部材２１と被接合部材３１を押し付ける際に、超音波などで振動を付加することで、スプリング層どうしがより嵌合しやすくなる。次に、図４（ｃ）が示すように、嵌合したスプリング間に樹脂３３を充填することで、被接合部材２１と被接合部材３１がより強固に接合される。
【００３８】
このとき、被接合部材２１と被接合部材３１はナノスプリングの嵌合によって接合されているため、樹脂３３を充填しなくても接合できる。この場合、被接合部材やスプリング層を傷つけることなくリペアすることができる。なお、接合構造の用途に応じて、樹脂３３の有無を適宜選択することができる。
【００３９】
図５〜７を用いて、スプリング層の力学特性を説明する。
【００４０】
図５は、Ｎｉ製のナノオーダのコイルが密に配置されたスプリング層の上面写真および断面写真である。各スプリングの形状は、線径が約４０ｎｍ、コイル外径が約１２０ｎｍ、コイルピッチが約１５０ｎｍであり、高さ約４００ｎｍである。本発明者は、このナノスプリング層に圧子を押し込み、そのときの荷重と変位の関係からナノスプリング層の力学特性を検討した。
【００４１】
図６にナノスプリング層の圧子押し込み試験装置の模式図を示す。原子間力顕微鏡に１０μＮ〜１０ｍＮの微小荷重制御が可能なHysitron社製Triboscopeを組み込んだ装置を用いて、スプリング層に曲率半径１０．４４μｍの円錐圧子を押し込んだときの荷重−変位関係を取得した。変位測定分解能は０．２ｎｍである。測定は荷重制御にて実施し、同じ荷重を２度付加して荷重−変位関係に変化が無いときには弾性変形範囲と判定し、その後同じ位置において荷重を増加して再び同じ荷重を２度付加することを繰り返した。この手順を繰り返すことで、降伏する荷重とそのときの変位を求めた。
【００４２】
図７（ａ）〜（ｃ）に測定結果を示す。縦軸が荷重、横軸が変位量である。荷重１９．０μＮ（図７（ａ））、２０．２μＮ（図７（ｂ））の条件では、１回目と２回目の荷重−変位関係に変化は見られず、弾性変形範囲であった。一方、荷重２２．０μＮ（図７（ｃ））の条件では、１回目と２回目の荷重−変位関係が変化し、１回目の荷重付加によって降伏したと判断できる。この試験を、測定位置を変えて３回実施したところ、降伏した荷重は、２１．９μＮ，１５．２μＮ，１０．６μＮであり、これら荷重に対する変位は、それぞれ２１．７ｎｍ，２４．６ｎｍ，２０．８ｎｍであった。平均値はそれぞれ１５．９μＮ、２２．４ｎｍである。
【００４３】
コイルスプリングを変位ｕだけ圧縮したときに発生するせん断応力τは、一般に、次式（１）で表される。
【００４４】
【数１】
2015026634.tif 000003
【００４５】
ここで、Ｇは横弾性係数、ｄは線径、ｎは有効巻数、Ｄは平均コイル径である。式（１）に、ナノ構造体のスプリングの物性値と寸法を代入し、変位ｕに塑性変形が発生する変位の平均値２２．４ｎｍを代入すると、塑性変形が発生するせん断応力τは７５９ＭＰａと求まり、Misesの相当応力に変換すると１．３２ＧＰａとなる。この値がスプリングを構成する材料の降伏応力であり、Ｎｉバルク材の降伏応力と比較して２倍以上大きい。バルク材よりも降伏応力が大きいのは、ナノスケールの構造では、表面からの転位が入り難いためである。
【実施例２】
【００４６】
図８は、本発明の第２の実施例である接合構造の断面模式図を示す。第１の実施例とは異なり、被接合部材２１の表面に設けたスプリング層２４と被接合部材３１の表面に設けたスプリング層３２が、機械的に嵌合されることなく、被接合部材の接合面に対して垂直方向に離れており、被接合部材２１，３１は、樹脂３３によって接合されている。
【００４７】
本実施例では、スプリング層どうしが嵌合されていないが、接合層がスプリング層を備えることにより、図２（ａ）に示した被接合部材と接合部の界面がはく離するモード、図２（ｃ）に示したスプリングと樹脂の界面がはく離するモードに対する信頼性は向上する。樹脂によって被接合部材を接合する場合、一般に、図２（ｂ）に示す樹脂内部をき裂が進展するモードよりも、図２（ａ）や（ｃ）に示す界面がはく離するモードに対する強度が小さくなる。従って、樹脂を用いた接合層に本実施例を適用することで、図２（ａ）や（ｃ）の２つのモードの信頼性が向上し、接合の信頼性を向上できる。
【００４８】
図９に、スプリングを持たない公知の接合構造と、スプリングを有するミリオーダの面ファスナーを持つ接合構造、本発明の第１の実施例および第２の実施例である各接合構造の性質をまとめて示す。
【００４９】
スプリングを持たない公知の接合構造は、剛性の低い充填樹脂だけで構成されているために剛性が小さく、変形吸収性が良い。ナノ構造体のスプリングを持つ第１および第２の実施例の接合構造も、ナノスプリングは剛性が小さいため、変形吸収性が良い。一方、ミリオーダの面ファスナーを持つ接合構造では、スプリングの曲げ剛性が線径の３乗に比例するために線径の大きいミリオーダの面ファスナーの剛性が非常に大きく、変形吸収性が低い。スプリングに発生する応力は線径の２乗に比例する。そのため、ナノ構造体のスプリングを持つ接合構造ではスプリングに発生する応力は小さいが、ミリオーダでは非常に大きな応力が発生してスプリング自体が破壊し易い。このことから、第１および第２の実施例の効果の１つである変形吸収性の高さは、ナノオーダのスプリング層を用いることで実現できるものである。
【００５０】
図２（ａ）〜（ｃ）に示した３種類の接合層破壊モードに対して、スプリングを持たない公知の接合構造ではスプリングによる強度向上がない。ミリオーダのスプリングを持つ接合構造では、スプリング自体の強度は大きいが、接合端部とスプリングの距離が大きくなるため、スプリングの無い領域では図２（ａ）に示すモードの防止が難しい。また、ナノオーダのスプリングと比較してスプリングの表面積が小さいため、図２（ｃ）に示すモードの防止効果は小さい。これらのことから、第１および第２の実施例の効果の１つである接合部の信頼性向上は、ナノオーダのスプリング層を用いることで実現できるものである。
【００５１】
ところで、一般に、充填樹脂と比較してスプリングに用いる窒化珪素などの材料は熱伝導率が大きい。そのため、スプリングを持たない接合構造や、上下のスプリングがかみ合わさっていない接合構造と比較して、ミリオーダ、ナノオーダいずれもスプリングがかみ合っている接合構造の熱抵抗は小さくできる。
【００５２】
絶縁性に関しては、いずれの接合構造でも樹脂厚さの調整で確保する。
【００５３】
製造性に関して、スプリングを持たない接合構造や、上下のスプリングがかみ合わさっていない接合構造では厚さ方向の制約が小さいのに対して、ミリオーダやナノオーダのスプリングを持つ構造では厚さの制約が大きくなる。ただし、ミリオーダやナノオーダのスプリングを持つ構造では、常温接合が可能であるために接合後の残留応力を小さくできること、樹脂充填前はリペアが可能である。
【００５４】
これらのことから、第１および第２の実施例は、上述したような性質を考慮して、用途に応じて選択して用いることができる。これにより、各用途で要求される信頼性を向上することができる。
【実施例３】
【００５５】
図１０は、本発明の第３の実施例である接合構造の断面模式図を示す。本実施例は、第１および第２の実施例とは異なり、樹脂と平板状の被接合部材を接合する接合構造である。本実施例では、コイル状のスプリング層３２は、樹脂３３と被接合部材３１の表面の内、被接合部材３１の表面のみに設けられ、かつ被接合部材の樹脂３３内に延びる。すなわち、スプリンク層は、被接合部材３１と、他方の接合部材となる樹脂３３の界面に設けられる。本実施例によっても、第２の実施例と同様に、図２（ａ）や（ｃ）のモードに対して高い信頼性が得られる。
【実施例４】
【００５６】
図１１〜１４を用いて、本発明の第４の実施例である接合構造を説明する。
【００５７】
図３および図４を用いて説明したスプリング層の製造方法において、斜め蒸着法によって原子を堆積させるとき、接合部材の回転方法を制御すると、スプリングを複数の直線部からなる多直線状あるいは折れ線状に成長させることができる。
【００５８】
図１１に、このような多直線形状を備えたナノ構造体のスプリング層の一例として、二本の直線部を有する多直線状（以下、二直線形状と記す）のスプリング層の断面写真を示す。スプリングを多直線状あるいは折れ線状とすると、スプリングの密度を増やすことができるため、信頼性の向上や熱抵抗の低減に有効である。
【００５９】
図１２（ａ）〜（ｃ）は、三本の直線部を有する多直線状（以下、三直線形状と記す）のスプリング層による接合構造を示す。
【００６０】
図１２（ａ）に示すように、スプリング３２（２４）は、被接合部材３１（２１）の表面から上方（下方）に伸びる直線部３２ａ（２４ａ）と、直線部３２ａ（２４ａ）の上端（下端）から上方（下方）に伸びる直線部３２ｂ（２４ｂ）と、直線部３２ｂ（２４ｂ）の上端（下端）から上方（下方）に伸びる直線部３２ｃ（２４ｃ）を有する。これら三直線部が互いに連結した折れ線状をなすことにより、一つのスプリングが構成されている。
【００６１】
図１２（ａ）に示すように、被接合部材２１において三直線形状のスプリング２４が設けられた面と、被接合部材３１において三直線形状のスプリング３２が設けられた面を互いに向き合わせた状態で、図１２（ｂ）が示すように、被接合部材２１と被接合部材３１を押し付ける。このときの押し付け力によってスプリングに塑性変形を発生し、スプリングにおける直線部間の折れ曲がりが大きくなる部分が生じる。すなわち、スプリング２４，３２がフック状に変形し、互いにひっかかる箇所が生じる。これにより、被接合部材２１と被接合部材３１は、高い信頼性にて接合され、互いに位置決めされる。なお、さらに、図１２（ｃ）が示すように、樹脂３３を充填することにより、接合の信頼性が向上する。
【００６２】
図１１に示した二直線形状のスプリングによっても、図１２に示した三直線形状のスプリングを用いた場合と同様の接合構造が可能である。なお、以下に述べるように、三直線以上の直線部を有するスプリングを用いることが好ましい。
【００６３】
図１３および図１４は、それぞれ、二直線形状のスプリングおよび三直線形状のスプリングを押し付けたときの塑性変形挙動を、有限要素法でシミュレーションした結果を示す。
【００６４】
図１３に示す二直線形状のスプリングの場合、押し付けられる前、直線部ｂは直線部ａの上端から上方へ伸びているが、押し付けられたときには被接合部材表面にほぼ平行になる。その後除荷されると、直線部ｂは、スプリングバックによって若干元の形状に近づくため、押し付け前と同様に直線部ａの上端から上方へ伸びている。これに対し、図１４に示す三直線形状のスプリングの場合、押し付けられる前、直線部ｃは直線部ｂの上端から上方へ伸びているが、押し付けられたときには直線部ｂの端から下方へ伸びる。その後除荷されても、直線部ｃは、その伸びる方向が保持される。すなわち、三直線部以上の多直線形状のスプリングの場合、塑性変形後に、二直線形状のスプリングの場合よりも曲がり具合が大きなフック形状となる。従って、三本以上の直線部を有する多直線状のスプリングどうしは、二直線形状のスプリングどうしよりも、嵌合しやすい。これにより、三本以上の直線部を有する多直線状のスプリングを用いれば、より大きな接合強度を有する、信頼性の高い接合構造が得られる。
【実施例５】
【００６５】
図１５（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第５の実施例である接合構造の断面模式図を示す。本実施例においては、図１５（ａ）に示すように、他の実施例と異なり、一方の被接合部材２１の表面には多直線状（三直線形状）のスプリング層２４が設けられ、他方の被接合部材３１の表面にはコイル形状のスプリング層３２が設けられる。すなわち、上下の被接合部材でスプリングの形状が異なる。図１５（ｂ）に示すように、本接合構造においても、接合時に接合部材を押し付けることで、図１４に示したように、多直線形状のスプリングは、曲がり具合の大きなフック状に変形する。変形した多直線状のスプリングがコイル形状のスプリングとかみ合うことで、被接合部材２１，３１が、接合され、互いに位置決めされる。これにより、接合強度が向上し、高い接合の信頼性が得られる。また、両部材間のがたつきを防止できる。さらに、図１５（ｃ）に示すように、樹脂３３を充填することにより、接合の信頼性が向上する。
【実施例６】
【００６６】
図１６は、本発明の第６の実施例である接合構造の断面模式図を示す。他の実施例とは異なり、被接合部材２１の表面に設けた、四本の直線部を有する多直線状（以下、四直線形状と記す）のスプリング層２４と被接合部材３１表面に設けた四直線形状のスプリング層３２が、機械的に嵌合されることなく、被接合部材２１，３１の各表面に垂直方向に離れ、被接合部材２１，３１は樹脂３３によって接合されている。
【００６７】
本実施例では、スプリング層が嵌合されていないが、図２（ａ）に示した被接合部の界面がはく離するモード、および図２（ｃ）に示したスプリングと充填樹脂の界面がはく離するモードに対する信頼性は向上できる。樹脂で接合する場合、一般に、図２（ｂ）に示す樹脂内部をき裂が進展するモードよりも、図２（ａ）や（ｃ）に示す界面がはく離するモードの強度が小さくなる。従って、本実施例によって図２（ａ）や（ｃ）の２つのモードの信頼性が向上するので、樹脂による接合の信頼性を向上できる。
【００６８】
また、多直線状のスプリングを用いることで、スプリングの密度を増加できるため、接合の信頼性の向上や熱抵抗の低減に有効である。また、本実施例ではスプリングを変形させないため、二本以上の直線部を有する多直線状であれば、同等の接合強度が得られる。
【００６９】
なお、本実施例の変形例として、スプリング層２４とスプリング層３２のどちらか一方をコイル状のスプリング層に変えることができる。
【実施例７】
【００７０】
図１７は、本発明の第７の実施例である接合構造の断面模式図を示す。他の実施例とは異なり、樹脂３３と平板状の被接合部材３１を接合する接合構造に、多直線状（四直線形状）のスプリング層を用いている。本実施例では、スプリング層３２は、樹脂３３と被接合部材３１の表面の内、被接合部材の表面のみに配置される。これにより、図２（ａ）や（ｃ）のモードに対しては高い信頼性が得られる。また、多直線状のスプリングを用いることで、スプリングの密度を増加できるため、信頼性の向上や熱抵抗の低減により有効である。
【実施例８】
【００７１】
図１８は、本発明の第８の実施例である半導体装置の断面模式図である。本実施例は、樹脂モールド型の半導体装置であり、図１の実施例における半導体素子１，リードフレーム３および放熱ベース５の各表面が、封止樹脂１２１によって被覆されている。５第１の実施例とは異なり、スプリング層が絶縁層４に設けられているだけでなく、リードフレーム３と樹脂１２１の界面にもコイル状のスプリング層４ｄが設けられている（図中の拡大図参照）。このスプリング層４ｄによって、リードフレーム３と封止樹脂１２１との界面強度が向上し、リードフレーム３と封止樹脂１２１のはく離を防止できる。
【００７２】
なお、本発明は前述した各実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前述した各実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、さらに、ある実施形態の構成に他の実形態の構成を加えることも可能である。さらにまた、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置き換えをすることが可能である。
【００７３】
例えば、被接合部材毎に、あるいは接合部ごとに、スプリングの寸法や形状および配置密度を異ならしめても良い。スプリングの材料としては、上述した窒化けい素やニッケルに限らず、窒化アルミなどのセラミックス材料や銅などの金属材料を用いることができる。すなわち、スプリングの寸法，形状，配置密度や材料は、接合部が備える機械的強度，電気的特性や熱的特性に応じて、適宜選択あるいは変更することができる。なお、被接合部材としては、金属,樹脂，セラミックスなど、各種の固体材料が適用できる。
【００７４】
また、図１の半導体装置において、リードフレーム３における半導体素子１との接合面に、ニッケルなどのはんだ濡れ性の良い金属からなるスプリンク状のナノ構造体を設けることにより、半導体素子１とリードフレーム３との電気導電性を確保しながら、接合強度を向上できる。また、半導体素子１とリードフレーム３との間の熱抵抗が低減され、放熱性が向上する。本構成は、言わば、図１０における一方の被接合部材である樹脂をはんだに置き換えたものである。
【符号の説明】
【００７５】
１  …  半導体素子
２  …  はんだ
３  …  リードフレーム
４  …  絶縁層
４ａ，４ｂ，４ｄ  …  スプリング層
４ｃ  …  樹脂
５  …  放熱ベース
２１  …  被接合部材
２２  …  表面層
２３  …  蒸着原子
２４  …  スプリング層
３１  …  被接合部材
３２  …  スプリング層
３３  …  樹脂
１２１  …  封止樹脂
【図１】
2015026634.tif 000004
【図２（ａ）】
2015026634.tif 000005
【図２（ｂ）】
2015026634.tif 000006
【図２（ｃ）】
2015026634.tif 000007
【図３（ａ）】
2015026634.tif 000008
【図３（ｂ）】
2015026634.tif 000009
【図３（ｃ）】
2015026634.tif 000010
【図４（ａ）】
2015026634.tif 000011
【図４（ｂ）】
2015026634.tif 000012
【図４（ｃ）】
2015026634.tif 000013
【図５】
2015026634.tif 000014
【図６】
2015026634.tif 000015
【図７（ａ）】
2015026634.tif 000016
【図７（ｂ）】
2015026634.tif 000017
【図７（ｃ）】
2015026634.tif 000018
【図８】
2015026634.tif 000019
【図９】
2015026634.tif 000020
【図１０】
2015026634.tif 000021
【図１１】
2015026634.tif 000022
【図１２（ａ）】
2015026634.tif 000023
【図１２（ｂ）】
2015026634.tif 000024
【図１２（ｃ）】
2015026634.tif 000025
【図１３】
2015026634.tif 000026
【図１４】
2015026634.tif 000027
【図１５（ａ）】
2015026634.tif 000028
【図１５（ｂ）】
2015026634.tif 000029
【図１５（ｃ）】
2015026634.tif 000030
【図１６】
2015026634.tif 000031
【図１７】
2015026634.tif 000032
【図１８】
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