(57)【要約】【課題】半導体素子の電極の配線性やその接合部の信頼性に優れる半導体モジュールを提供する。【解決手段】本発明の半導体モジュールは、基板（１０）上に搭載された半導体素子（２０）の電極（２３）と、その半導体素子の外部にある配線部（４３）とを板状リード（３０）で接続する半導体モジュール（１００）であって、前記板状リードは、前記電極に接合される電極接合部（３１）と、前記配線部に接合される配線接合部（３２）と、これら接合部間の少なくとも一部に設けられ周囲よりも低剛性な低剛性部（３３）とを備えることを特徴とする。板状リードが変形し易い低剛性部を備えることにより、その組付が容易であり、電極接合部に加わる応力等も低減される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
該基板上に搭載されると共に該基板の反対側の面に電極を有する半導体素子と、
該電極を該半導体素子の外部にある配線部に接続する板状リードとからなる半導体モジュールであって、
前記板状リードは、前記電極に接合される電極接合部と、
前記配線部に接合される配線接合部と、
該電極接合部と該配線接合部との間の少なくとも一部に設けられ周囲よりも低剛性な低剛性部とを備えることを特徴とする半導体モジュール。
【請求項２】
前記板状リードは、前記半導体素子および前記配線部を支持する支持体と、熱膨張量が異なる請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
前記板状リードは、銅（Ｃｕ）を主成分とするＣｕ材からなり、
前記支持体は、アルミニウム（Ａｌ）を主成分とするＡｌ材からなる請求項２に記載の半導体モジュール。
【請求項４】
前記支持体は、前記基板からなる請求項３に記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記低剛性部は、薄肉部、狭幅部、ベローズ部、エキスパンド部、低ヤング率材部の少なくとも１種以上からなる請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項６】
基板上に搭載される半導体素子の該基板の反対側の面に設けられた電極を、該半導体素子の外部にある配線部に接続する板状リードであって、
前記電極に接合される電極接合部と、
前記配線部に接合される配線接合部と、
該電極接合部と該配線接合部との間の少なくとも一部に設けられ周囲よりも低剛性な低剛性部とを備えることを特徴とする板状リード。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子の組付性（配線性）や信頼性を向上させ得る半導体モジュールおよびその配線に使用される板状リードに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子の電極と外部端子等との接続は、従来、ワイヤボンディングにより行われることが多かった。このワイヤボンディングは、アルミニウムワイヤを、接合相手である電極等に押圧しつつ超音波を印加して行われる。この際、接合される両部材間の酸化膜が除去され、新生面が露出して両部材は溶着される。
ところが、このワイヤボンディングは、接合面への荷重および超音波の印加によるため、半導体素子の破壊や耐圧低下を招き易い。また、ワイヤと電極等との接合面が僅かであるため、温度サイクルに伴って、その接合部にクラックや剥離を生じるおそれもある。さらに、一本あたりのワイヤの通電容量は少ないため、大電力用の半導体素子の接合には、多数のワイヤが必要となり、ワイヤボンディング工程に多くの時間がかかり、生産性の向上を図れない。
そこで、ワイヤ等の線状の配線材（リード）に替り、板状リードを使用することが多数提案されている。これに関連した公報として、下記のようなものを挙げることができる。
【０００３】
【特許文献１】
特開平６−２６８０２７号公報
【特許文献２】
特開２０００−２７７５５８号公報
【特許文献３】
特開２００２−４３５０８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、板状リードはワイヤ等の線状リードに比較して幅広であるため、両者が同じ材質であったとしても、その分、形状的に剛性が大きくなってしまう。このため、ワイヤのように適宜引き伸しつつ電極間を接合することが難しく、予め、接合部材間に適合した形状に成形しておく必要がある。しかも、その際に電極等に余分な応力が係らないように、高精度な成形が要求される。その結果、板状リードを使用すると、生産性が低下したり、コスト高となったりする。
【０００５】
また、半導体素子は使用により高温となり、その周囲にある基板やリード等も高温となる。特に、その半導体素子がパワー素子の場合、発熱量も多く、周辺部材も相当高温となる。このとき、板状リードにより接合される両端間（例えば、半導体素子の電極と外部端子間）の熱膨張と、その板状リード自体の熱膨張とに相違が生じると、その熱膨張差に応じた応力が板状リードおよびその接合部に作用する。従って、板状リードを使用しても、やはり接合部でクラックや剥離等を生じ得るおそれがある。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものである。すなわち、板状リードを用いて半導体素子の配線を行う場合に、組付性や信頼性を向上させることができる半導体モジュールを提供することを目的とする。また、それに適した板状リードを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
本発明者は、この課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、組付性の悪化や熱膨張差に伴う信頼性の低下の要因を抑制、解消する板状リードを思いつき、以下の本発明を完成させるに至った。
（半導体モジュール）
本発明の半導体モジュールは、基板と、該基板上に搭載されると共に該基板の反対側の面に電極を有する半導体素子と、該電極を該半導体素子の外部にある配線部に接続する板状リードとからなる半導体モジュールであって、
前記板状リードは、前記電極に接合される電極接合部と、前記配線部に接合される配線接合部と、該電極接合部と該配線接合部との間の少なくとも一部に設けられ周囲よりも低剛性な低剛性部とを備えることを特徴とする（請求項１）。
【０００８】
本発明の半導体モジュールは、先ず、板状リードを使用して半導体素子の電極配線を行うため、前述したワイヤボンディングの場合ような不都合がない。
次に、この板状リードが、低剛性部を備えることにより、ワイヤボンディングを行った場合以上に、組付性（配線性）や信頼性が向上する。
組付性が向上するのは、板状リードの低剛性部で、板状リードが変形し易くなるからである。つまり、板状リードが必ずしも高精度に成形されていなかったり、接合位置が僅かにずれたりしても、板状リードの低剛性部が変形して、接合位置のずれ等を容易に吸収し得るからである。その低剛性部は変形し易いため、その変形に要する荷重も低く、その変形によって板状リードに作用する応力も小さい。
【０００９】
低剛性部を設けることで信頼性が向上するのも、その部分で板状リードが変形し易くなるからである。板状リードが接合される両接合部間にある相手側の熱膨張量と板状リード自体の熱膨張量とは、通常、差を生じることとなる。このとき、その熱膨張差が板状リードの低剛性部の変形により大きく吸収、緩和され、板状リード全体に作用する応力が低減される。その結果、板状リードの接合部に作用する熱応力も当然に低減されて、その部分でのクラックや剥離が十分に抑制されることとなる。
【００１０】
（板状リード）
本発明は、上記半導体モジュールに限らず、上記板状リード自体として把握しても良い。
すなわち、本発明は、基板上に搭載される半導体素子の該基板の反対側の面に設けられた電極を、該半導体素子の外部にある配線部に接続する板状リードであって、
前記電極に接合される電極接合部と、前記配線部に接合される配線接合部と、該電極接合部と該配線接合部との間の少なくとも一部に設けられ周囲よりも低剛性な低剛性部とを備えることを特徴とする板状リードとしても良い（請求項６）。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施形態を挙げて、本発明をより詳しく説明する。なお、以下の内容は本発明の半導体モジュールにも板状リードにも適宜該当する。
（１）板状リード
「板状」リードは、厚さｔに対して幅ｗの大きいリードである。具体的な寸法は問わないが、通常、その幅ｗは、板状リードが接合される半導体素子の電極と同程度である。勿論、その幅ｗを狭くして、一つの電極あたりに複数本の板状リードを設けるようにしても良い。
【００１２】
その板状リードの低剛性部の「変形」には、伸び、縮み、ねじり、さらにはそれらの複合変形等、あらゆる変形が含まれる。それらの各種変形に応じて、剛性は引張圧縮剛性、曲げ剛性、ねじり剛性等を意味することとなる。低剛性部は、板状リードの形状を工夫して形成しても良いし、その部分の材質構成を変更して形成しても良し、両者を組合わせても良い。
【００１３】
例えば、形状により低剛性部を形成する場合、板状リードの一部に、接合部等よりも板厚の薄い薄肉部や、接合部等よりも板幅の狭い狭幅部や、蛇腹状のベローズ部や、網目状のエキスパンド部を設けたりすると良い。材質変更により低剛性部を形成する場合、板状リードの中間に接合部等よりもヤング率の小さい材料を使用してそこを低ヤング率材部としたり、逆に、接合部にヤング率の大きな材質を使用して、結果的に、その中間を低ヤング率材部としても良い。
【００１４】
このような板状リードは、Ｃｕ板等をプレス加工することで用意に製造可能である。
なお、板状リードは、インバー合金等を内包した積層材や複合材であっても良い。例えば、インバー合金を板状リードの電極接合部に内包させると、その部分における熱膨張量差を小さくできるので、一層、接合部における信頼性を向上させることができる。
【００１５】
（２）半導体素子
半導体素子は、その種類、形状、規格、大きさ等は問わないが、板状リードによって接合される電極を備えることは言うまでもない。例えば、半導体素子が（パワー）ＭＯＳＦＥＴ、（パワー）ＩＧＢＴ等の場合、その電極は、ソース、エミッタ、ドレイン、コレクタおよび制御電極（ゲート）等となる。いずれの電極を基板上の配線層等に接合するかによって、板状リードに接合される電極も異なる。例えば、基板の配線層上にドレイン電極をはんだ付けした場合、ソース電極および／またはゲート電極が、その基板上の配線層や外部端子と板状リードで連結されることとなる。この場合、電流量の多いソース電極のみ板状リードで接合し、ゲート電極をワイヤボンディングしても良い。
【００１６】
（３）基板
基板は、セラミック基板でもメタル基板でも良く、適宜、その片面または両面に配線層を備える。配線層は、例えば、Ｃｕ配線層でもＡｌ配線層でも良い。いずれにしても基板の種類や形状、配線層の形態等を問わない。
【００１７】
本発明で、半導体素子が基板に「搭載」されるとしたのは、基板の配線層に半導体素子が直接実装される場合でも、それらの間にヒートスプレッダ等の他部材が介在している場合でも良いことを意味する。この基板には、通常、放熱のためのヒートシンクや放熱板等が接合されていることが多い。この放熱板は、半導体モジュールの筐体等と兼用でも良い。
【００１８】
（４）配線部
配線部は、半導体素子の外部にあり、板状リードによって半導体素子の電極と接合されるものである。配線部は、外部端子からなっても良いし、基板の配線層上にあっても良い。この配線部が設けられる基板は、板状リードによって接続される半導体素子が搭載される基板とは別物でも良い。
【００１９】
（５）支持体
支持体は、半導体素子および配線部を支持するものである。配線部が半導体素子の搭載される基板上にある場合は、その基板が支持体となる。その他、基板を搭載するヒートシンク、放熱板、筐体等を支持体としても良い。このように支持体は、半導体素子および配線部を支える土台となるものである。
【００２０】
ところで、上記支持体も板状リードも、半導体素子から受熱して高温となり、熱膨張する。このとき、両者に使用される材料の熱膨張率差や温度分布の相違によって、両者の熱膨張量は通常異なる。
仮に、板状リード側の熱膨張量が支持体側の熱膨張量よりも小さい場合、半導体素子の発熱に伴って板状リードには引張力が作用する。この引張力によって、本発明の板状リードの低剛性部は、その周辺部よりも大きく歪み、その低剛性部で、熱膨張量差が主に吸収される。そして、板状リード全体に作用する引張応力が全体的に緩和される。その結果、最終的に板状リードの電極接合部等に作用する応力も緩和され、温度サイクル等に伴う電極接合部等のクラックや剥離が抑制、防止される。この一例として、板状リードがＣｕを主成分とするＣｕ材からなり、支持体がＡｌを主成分とするＡｌ材からなる場合がある。なお、本発明で「主成分とする」とは、純金属でもその合金でも良いという意味である。
勿論、板状リード側の熱膨張量が支持体側の熱膨張量よりも大きい場合、圧縮応力が板状リードに作用することとなるが、本質的に上記場合と同じである。
【００２１】
（６）用途
本発明の半導体モジュールは、その用途が限定されるものではないが、高信頼性が求められる機器に適する。特に、パワーエレクトロニクス用半導体素子を搭載し、温度変化（温度サイクル）等の使用環境変化が激しい機器（例えば、車載用機器）に本発明の半導体モジュールは適する。
【００２２】
【実施例】
実施例を挙げて、より詳細に本発明を説明する。
（第１実施例）
本発明に係る第１実施例である半導体モジュール１００は、三相誘導電動機（三相モータ）の駆動制御用のインバータ装置に使用されるものである。図１は、半導体モジュール１００の要部断面図である。
半導体モジュール１００は、素子側金属ベース配線基板１０と、半導体素子２０と、板状リード３０と、端子側金属ベース配線基板４０と、放熱体５０とからなる。
【００２３】
素子側金属ベース配線基板１０は、半導体素子２０が表面実装されるものである。この素子側金属ベース配線基板１０は、Ａｌ製ベース基板１１と、この両面に絶縁層１２、１４を介して張られたＣｕ製の配線層１３、１５とからなる。なお、素子側金属ベース配線基板１０が放熱体５０にはんだ接合等される限り、絶縁層１４および配線層１５を省略しても良い。
半導体素子２０は、本体２１の下面にドレイン電極２２、その上面にソース電極２３およびゲート電極（図示せず）を備えたＩＧＢＴ素子である。
【００２４】
板状リード３０は、薄い銅板をプレス成形した短冊上の配線部材であり、端部に電極接合部３１および端子接合部（配線接合部）３２と、その略中央に円弧状に屈曲した低剛性部３３とを備える。低剛性部３３は、電極接合部３１、端子接合部３２等に比較して薄く成形された薄肉部からなる。具体的には、低剛性部３３の厚さは０．１５ｍｍであり、その他の厚さは０．３ｍｍである。なお、本実施例では、板状リード３０の幅をソース電極２３に合わせて７ｍｍとした。また、板状リード３０はＣｕ製としたが、Ａｌ製やインバー合金を内包した積層材等を用いても良い。このとき、表面にＮｉめっきやＡｕめっき等を施してはんだ濡れ性を向上させると良い。
【００２５】
さらに、図１に示した板状リード３０は、低剛性部３３が外側（上側）に突出しているが、これを内側（下側）に突出させると半導体モジュール１００の全高が低くなり、その小型化を図れる。
【００２６】
端子側金属ベース配線基板４０は、外部端子を構成するものであり、素子側金属ベース配線基板１０と同様、Ａｌ製ベース基板４１と、この両面に絶縁層４２、４４を介して張られたＣｕ製の配線層４３、４５とからなる。この場合も、端子側金属ベース配線基板４０が放熱体５０にはんだ接合等される限り、絶縁層４４および配線層４５を省略しても良い。
放熱体５０は、Ａｌ合金製のヒートシンクであるが、この放熱体５０は半導体モジュール１００の筐体を兼ねても良い。
【００２７】
次に、各部材の接合関係について説明する。
先ず、放熱体５０の内底面には、はんだ層９１を介して素子側金属ベース配線基板１が固定される。この素子側金属ベース配線基板１０の配線層１３上には、半導体素子２０のドレイン電極２２がはんだ層９２により接合される。また、放熱体５０の凸部５１上には、はんだ層９５を介して端子側金属ベース配線基板４０が固定される。そして、半導体素子２０のソース電極２３ははんだ層９３を介して板状リード３０の電極接合部３１に、端子側金属ベース配線基板４０の配線層４３は、はんだ層９４を介して板状リード３０の端子接合部３２にそれぞれ接合される。こうして、ソース電極２３とソースパタンである配線層４３とは板状リード３０によって電気的に接続される。
【００２８】
そして、本実施例では、薄肉部からなる低剛性部３３により板状リード３０に作用する熱応力が緩和され、結果的に電極接合部３１等でのクラックや剥離の発生が防止され、半導体モジュール１００全体の信頼性が向上する。また、低剛性部３３は変形し易いため、板状リード３０を素子側金属ベース配線基板１０や端子側金属ベース配線基板４０に接合するのも容易である。
【００２９】
（第２実施例）
第１実施例の低剛性部３３を、薄肉部から狭幅部とした低剛性部２３３をもつ板状リード２３０を図２（ａ）に示す。板状リード２３０以外の部分は、第１実施例と同様であるので説明を省略する（以下、同様）。
図２（ａ）のもの以外にも、図２（ｂ）に示すような、内部を部分的に打抜いた低剛性部２３３’としても良い。打抜く孔の数は複数でも良いし、その孔の形状は矩形状でも円形状でも長円状でも何でも良い。
【００３０】
（第３実施例）
第１実施例の低剛性部３３を、薄肉部から蛇腹状のベローズ部とした低剛性部３３３をもつ板状リード３３０を図３に示す。
【００３１】
（第４実施例）
第１実施例の低剛性部３３を、薄肉部から網目状のエキスパンド部とした低剛性部４３３をもつ板状リード４３０を図４に示す。
前述した板状リードはいずれもプレス加工等により容易に成形可能であるが、予め用意した低剛性部の両端に接合部を溶接等して板状リードを製造しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例である半導体モジュールの要部断面図である。
【図２】第２実施例である板状リードの平面図である。
【図３】第３実施例である板状リードの斜視図である。
【図４】第４実施例である板状リードの斜視図である。
【符号の説明】
１０　　　　　　　　素子側金属ベース配線基板（基板）
２０　　　　半導体素子
３０　　　　板状リード
３１　　　　電極接合部
３２　　　　端子接合部（配線接合部）
３３　　　　低剛性部
４０　　　　端子側金属ベース配線基板
４３　　　　配線層（配線部）
５０　　　　放熱体
１００　　　　　　半導体モジュール
【図１】
2004128265.tif 000003
【図２】
2004128265.tif 000004
【図３】
2004128265.tif 000005
【図４】
2004128265.tif 000006