(57)【要約】【課題】脆弱で耐熱性の低い半導体素子や実装基板であっても配線抵抗を小さく、かつ安全に製作することのできる半導体装置を提供する。【解決手段】半導体素子の電極と実装基板の電極を金属箔で電気的に接続した半導体装置であって、夫々の電極への接続は金属箔をエッチングして形成した複数のバンプの接合により為され、金属箔は金、銀、銅、ニッケルのいずれかの金属であることを特徴とする。【選択図】図１
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子の電極と実装基板の電極を金属箔で電気的に接続した半導体装置であって、夫々の電極への接続は金属箔をエッチングして形成した複数のバンプの接合により為され、金属箔は金、銀、銅、ニッケルのいずれかの金属であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記金属箔は鉄とニッケルを含む合金であり、少なくともバンプが形成された面の表面に金、銀、銅、ニッケルのいずれかの金属膜が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本考案は、半導体装置の配線構造に関し、ワイヤボンディングの代わりに金属箔配線を使用する半導体装置である。
【背景技術】
【０００２】  半導体素子を実装基板、あるいは外囲器などにマウントして配線を行う場合、ワイヤボンディングやリボンボンディングが一般に行われている。ワイヤやリボンが半導体素子の電極に接合するためには適度な荷重と加熱と超音波を併用することになる。材質がアルミの場合には荷重と超音波を使用し、金の場合には加熱も併用しなければ接合しない。配線抵抗を小さくする、あるいは耐電流容量のためにはワイヤ径を大きくしたり、リボンを使用するが、これらの場合には大きな接合エネルギーが必要となる。半導体素子が荷重や超音波のストレスに弱い場合には、半導体素子が割れたり、微小なクラックが発生し信頼性を著しく低下させてしまうので、接合エネギーが小さくて済む細いワイヤを多数打つことも行われる。しかしワイヤが外れるなどの不具合の確率は高くなる。【０００３】  電源用パワー半導体装置などでは外部リード端子をトランジスタの電極に直接に接合することも行われている。また電気的な接続を確実にするためにリード端子に金ボールや共晶半田ボールを形成しトランジスタの電極に接合する場合もある（特許文献１）。この場合、接合の確実性だけを目的としているので電極に一個のボール、バンプを形成する。接合は熱圧着が基本であるが、金ボールの接合には高い温度と荷重が必要であり、適用できる半導体素子は限られる。【０００４】  半導体については、ＳｉＣ結晶のように耐熱性があって機械強度の強いものがある一方で、ＧａＡｓのような化合物半導体はＳｉに比べても弱いとされる。特許文献２には、集光型発電装置に使用する化合物半導体系の太陽電池セル（図４）が示されている。図に示されているように太陽電池セルは薄層のヘテロ接合が多重積層された構造であり、外部応力、内部応力に対してクラックなどの損傷を受け易い素子である。従って金属箔（図５（ａ）（ｂ）の５８）を配線として使用し、金属箔５８と太陽電池セルの電極４２とは低温共晶半田でロウ付けしている。ロウ付けに際しては荷重も超音波も不要であり、温度は無鉛半田の場合に２３０−２５０℃で接合できる。しかし共晶半田は共晶温度で溶融するため、半田垂れによるショート不良や揮発フラックスの汚れが伴うため対策が必要である（特許文献３）。金属箔は配線抵抗を下げるために有効であるが、半導体装置を歩留良く製作することは難しい。【０００４】  一方で銅膜の接合が低温、低加圧の条件で実現できる技術が報告されている（非特許文献１）。銅は酸化し易い金属であるため、ギ酸を使用して酸化膜を除去し、接合面の平坦性を確保すれば２００℃、１０ＭＰａで接合が可能である。この場合、加熱、加圧のみで超音波は不要である。しかし１０ＭＰａの圧力は化合物半導体素子にとって応力歪をもたらすことが想定でき、適用し難い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−１２１６１５
【特許文献１】特開２００３−１７４１７９号公報
【特許文献３】特開２００４−１７２２５５号公報
【非特許文献１】エレクトロニクス実装学会講演大会論文集、巻２４ｔｈ、２２６頁、２０１０年３月１０日
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００６】  以上説明したように、金属箔を電気配線に使用するのは電気抵抗を下げるのに有効であるが、接合に必要な加熱、加圧、超音波に対して適用できる半導体素子が限られる。また低温の共晶半田接合を使用すると、半田垂れによる歩留低下やフラックスの汚れ付着による性能低下をもたらすなど安全に半導体装置を製作することは難しくなる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】  上記課題を解決する一つの実施形態によれば、半導体素子の電極と実装基板の電極を金属箔で電気的に接続した半導体装置であって、夫々の電極への接続は金属箔をエッチングして形成した複数のバンプの接合により為され、金属箔は金、銀、銅、ニッケルのいずれかの金属であることを特徴とする。半導体素子の電極に接合する複数のバンプの面積の和を小さくすれば、接合に要するエネルギー（圧力、熱）を小さく出来るので熱的、機械的強度の弱い半導体素子にも適用できるようになる。超音波を併用する場合にもそのエネルギーを格段に小さくすることかでき、半導体装置の歩留を落とすことなく製作できる。一方で高信頼性が要求される半導体素子の電極金属には金、銀、ニッケルなどが主に使われるので、金属箔も電極と同じ金属を選択するのが好ましい。しかし酸化皮膜の除去や金属面の洗浄技術など、近年の接合技術の進歩により、上記の金属であれば異種金属間接合でも問題なく接合できる。【０００８】  また別の実施形態によれば、金属箔を鉄とニッケルを含む合金とし、少なくともバンプが形成された面の表面に金、銀、銅、ニッケルのいずれかの金属膜が形成されたことを特徴とする。金属箔は複数のバンプの接合によって固着される。個々のバンプ径が小さくなると接合強度も小さくなるため、特に半導体素子と金属箔の熱膨張係数の差で生じる応力に対策が必要である。鉄、ニッケルを含む代表的なリード素材に４２アロイやコバールがあり、熱膨張係数は半導体のそれに近いため応力を緩和することが可能となる。
【考案の効果】
【００１０】  以上説明したように本考案によれば、特に耐熱性が低く、機械的強度の弱い半導体素子にも損傷を与えることなく電気抵抗を小さくでき、信頼性の高い半導体装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】（ａ）  本考案の実施形態に係る半導体装置の外観図を示す。（ｂ）  （ａ）の断面図を示す。
【図２】図１（ａ）の構成図を示す。
【図３】銅箔配線を接合する時の模式図を示す。
【図４】集光型太陽電池セルの概略断面図を示す。
【図５】（ａ）  実装形態を示す平面図である。（ｂ）  （ａ）の断面図である。
【考案を実施するための最良の形態】
【００１１】  以下、本考案の一つの実施の形態を図１（ａ）（ｂ）に示す。図１（ａ）は実装基板（セラミック基板）１に集光型太陽電池セル２をマウントし、配線用銀箔３を接合した外観図を示す。（ｂ）はＸ−Ｘ‘の断面図である。図２はその構成を示したものである。図２に示す配線用銀箔３には複数のバンプ４が形成され、図１（ｂ）に示すようにバンプが集光型太陽電池セルの電極５に接合される。同様に実装基板にもバンプ４が接合される構造を成す。なおバンプは金属箔３の裏面に形成するため表側から見えないが（図１（ａ）の３）、図２の３は透視で描いている。【００１２】  この例での配線用銀箔２はバンプを含めた厚さが６０μｍであり、バンプは高さが約２０μｍ、直径２００μｍとしている。これが１０ｍｍ角の集光型太陽電池セルの電極５（図１（ｂ））に対応して片側２３個配置し、実装基板１に接合する領域には片側２１個配置している。バンプは銀箔にマスクをかけてエッチングで形成したものである。従ってバンプの接合面は平坦性が確保されると共に、バンプを含めた配線用銀箔の厚さは６０μｍとなり均一な厚さが確保できる。接合部の平坦性と厚さの均一性は温度、圧力などの接合条件を低く抑えるのに必要であり、めっきで形成したものは有効でない。図３には加圧体６に荷重をかけて接合する際の模式図を示している。太陽電池セルの寸法が１０ｍｍ×１０ｍｍ（１００ｍｍ２）であり、接合に係るバンプの面積は０．７２ｍｍ２となり、面積比は１／１００以下となる。集光型太陽電池セルに加える荷重はバンプの無い場合に比べて１／１００に軽減して接合できることを意味する。非特許文献１に拠れば、ギ酸蒸気で銅の酸化皮膜を除去することで２００℃において１０ＭＰａの圧力で銅膜の接合が可能である（これは銀についても同様と考えて良い）。１０ｍｍ×１０ｍｍのサイズで１キロニュートン（約１００ｋｇ）の荷重となるが、本考案の実施形態では１０Ｎの荷重（約１ｋｇ以下）でバンプ接合が可能となるため、半導体素子へのストレスは大幅に軽減できる。なお実装基板への接合においても同様に軽減でき、バンプの個数あるいは接合に係るバンプの面積は設定荷重に照らして設計すれば良い。【００１３】  上記では、太陽電池セルの電極５に銀が使用された例として配線用銀箔を構成した。しかし金属箔としては銀以外に金、銅、ニッケルのいずれかを使用することもできる。一般に異種金属間接合では金属間化合物の生成で接合が強度不足に陥るリスクが高くなると言われているが、金属面の平坦性を確保し、酸化皮膜や汚れを除去することで、低温で十分な接合が確保できる。金属箔は経済性の面で選択しても構わないが、接合エネルギーを出来る限り下げる目的に対しては同種の金属間接合が好ましい。【００１４】  金、銀、銅、ニッケルを使用した金属箔では、配線形状に加工することで変形、反りなどが発生することがある。金属箔を十分に厚くすることで低減できるが金、銀ではコストが高くなる。パンプは小さなバンプを複数形成するので、半導体素子と金属箔に熱膨張係数の違いがある場合、応力がバンプに集中しバンプ剥がれが誘発される。上記の金属は半導体素子と熱膨張係数に大きな違いがあるため、金属箔を厚くすると金属箔の延性���柔軟性が減少するためバンプに強い応力が集中し有効でない。本考案の別の実施形態では鉄とニッケルを含む合金を金属箔として使用する。鉄とニッケルを含む合金素材として代表的なものに４２アロイ（Ｆｅ−Ｎｉ４２％）、コバール（Ｎｉ２９％−Ｃｏ１７％−ＳｉＯ．２％−ＭｎＯ．３％−Ｆｅ５３．５％）などがあるが、半導体やセラミック、ガラスなどの熱膨張係数に近いためリード材、封止材として広く使用されており強度も高い。特にモジュールの場合には配線用金属箔が大型化するので、強度や剛性のある合金素材の使用は有効である。なお上述のように半導体素子などとの接合性を確保するために銅、金、銀、ニッケルのいずれかの金属膜をバンプが形成された表面層に被着形成する。金や銀の場合、下地層にニッケル膜を形成することが普通であり、下地層の金属種類は問わない。また両面に被着形成しても構わない。【００１５】  以上の実施形態では、化合物半導体を使用した集光型太陽電池、特に太陽電池セルの実装部のみについて説明したが、ＬＥＤやＳｉ素子、ＳｉＣ素子を使用したパワー半導体装置にも適用できる。しかし接合部が複数の小さなバンプであるため加熱、加圧のみで接合できることを想定し超音波の併用は想定していない。小さな複数のバンプでは、超音波エネルギーが伝わらないか、バンプが変形する可能性がある。またアルミニウムは除外している。アルミニウムは簡単に除去できない不動態皮膜を形成するため、超音波ボンティングが必須である。アルミ電極の半導体素子に本考案を適用するには、表面金属には金、銀、銅、ニッケルのいずれかの金属を形成するのが好ましい。【００１６】  本考案は実装基板への接合も複数のバンプを介す構造とする。特に樹脂基板は超音波を吸収するために超音波接合は出来ず、温度にも制限がある。複数のバンプにより加熱、加圧の接合条件が緩和できるので実装基板の種類を問わず幅広く適用できる。【００１７】  またバンプは接合領域以外にあっても本考案の効果を阻害するものではない。ボンディングリボンはテープ状の金属箔をボビンに巻いたものであるが、テープの全域に適当な密度でバンプを形成したものをボビンから引き出して半導体装置の電気配線に使用することもできる。バンプ径やバンプ密度を変えることで接合に必要な荷重、温度などのパラメータを最小化できるため利便性が増す。
【産業上の利用可能性】
【００１８】  以上説明したように本考案を使用すれば、脆弱で耐熱性の低い半導体素子や実装基板であっても配線抵抗を小さく、かつ歩留良く製作することがてきる。
【符号の説明】
【００１７】１        実装基板
２、３０  集光型太陽電池セル
３        配線用銀箔
４        バンプ
５、４２  電極
６        加圧体
２８      座板
３４      放熱層
５８      金属箔
【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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