(57)【要約】【課題】熱応力による接続不良や損傷の発生を防止できる接続部材及び接続構造を提供する。【解決手段】外部電極１４の端部には板形状の導電体２４が電気的に接続されている。導電体２４は、インバー製である。外部電極１４と導電体２４とは、半田あるいは溶接によって接続されている。導電体２４の板面２４２には金属粒子２５が固着されている。導電体２４は、圧縮ばね２７のばね力によって半導体素子１６に向けて付勢されている。金属粒子２５は、圧縮ばね２７のばね力によって第１の素子電極１７に押接されている。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接続対象に接続させる金属体の少なくとも接続領域に金属粒子を付着した接続部材。
【請求項２】
前記金属粒子は、球形状である請求項１に記載の接続部材。
【請求項３】
前記金属粒子を付着させる前記金属体の付着表面は、平面とし、前記金属粒子の付着厚さを一定にした請求項１及び請求項２のいずれか１項に記載の接続部材。
【請求項４】
前記金属体は、板形状とし、この板形状の板面に前記金属粒子を付着した請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の接続部材。
【請求項５】
半導体素子の素子電極と外部電極とを導電体によって電気的に接続した接続構造において、
前記半導体素子の素子電極に前記導電体を接触させ、前記半導体素子の素子電極と前記導電体との接触を保持するための保持手段を備えた接続構造。
【請求項６】
前記保持手段は、前記半導体素子の素子電極に向けて前記導電体を付勢する付勢手段である請求項５に記載の接続構造。
【請求項７】
前記導電体として請求項４に記載の接続部材を用い、前記接続部材の前記金属粒子を前記半導体素子の素子電極に接触させた請求項５及び請求項６のいずれか１項に記載の接続構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、接続部材及び接続構造に係り、例えば半導体素子の素子電極と素子外部の電極との接続に好適な接続部材及び接続構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子における素子電極と外部電極とを電気的に接続するため、一般的には金属線（ボンディングワイヤ）によって素子電極と外部電極とを接続する。しかし、金属線による接続では、線接続になるために接続不良が生じやすい。特許第３２１６３０５号公報に開示の半導体装置では、半導体層上のボンディングパッドと素子外部の電極とを板状の導電性部材（アルミニウム製）によって接続している。板状の導電性部材による接続では、面接続になるために接続不良が金属線による接続に比べて生じにくい。又、ボンディングパッドに対する板状の導電性部材の接続は、ボンディングパッドに大きな応力のかからない半田接合や拡散接合等によって行われるため、ボンディング時に素子の損傷が生じない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、導電性部材（アルミニウム製）と半導体素子（シリコン）との間の熱膨張率の差が大きいため、半導体装置の動作中の発熱、昇温によって熱応力が発生して半導体素子が損傷したり、断線したりするおそれがある。
【０００４】
又、放熱性をよくするためにヒートスプレッダ上に半導体素子をはんだ付けした接続構造においても、ヒートスプレッダの熱膨張率と半導体素子の熱膨張率との差が大きい場合には、ヒートスプレッダと半導体素子との間の接続不良が生じて放熱性が低下したり、半導体素子が損傷したりする。
【０００５】
本発明の目的は、熱応力による接続不良や損傷の発生を防止できる接続部材及び接続構造を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そのために請求項１の発明では、接続対象に接続させる金属体の少なくとも接触領域に金属粒子を付着した接続部材を構成した。
【０００７】
金属体は、金属粒子を介して接続対象に接続される。金属粒子と接続対象との接触面積は、金属体そのものと接続対象との面接触に比べて小さくなるので、接続対象と接続部材との間の静止摩擦力は、金属体そのものと接続対象との面接触に比べて小さくなる。そのため、接続対象の熱膨張率と金属体の熱膨張率とが大きく異なっていても、接続対象と接続部材とが互いに殆ど影響を受けずに熱膨張・収縮するので、断線や損傷のおそれが無くなる。
【０００８】
請求項２の発明では、請求項１において、前記金属粒子は、球形状とした。
球形状の金属粒子と接続対象との接触は、点接触となるので、接続対象と接続部材との間の静止摩擦力は小さい。又、球形状の金属粒子は、アトマイズ方法等によって容易に作れる。
【０００９】
請求項３の発明では、請求項１及び請求項２のいずれか１項において、前記金属粒子を付着させる前記金属体における付着表面は、平面とし、前記金属粒子の付着厚さを一定にした。
【００１０】
金属粒子は、平面的に散らばることになり、接続対象の接触領域が平面であるときには、平面的に散らばった金属粒子と接続対象とが適正に接触する。
請求項４の発明では、請求項１乃至請求項３のいずれか１項において、前記金属体は、板形状とし、この板形状の板面に前記金属粒子を付着した。
【００１１】
板形状とは、厚みよりも幅の大きい形状のことを言う。板面とは、幅の面のことを言う。厚みの小さい金属体の場合には、板形状の板面が金属粒子の付着場所として好適である。
【００１２】
請求項５の発明では、半導体素子の素子電極と外部電極とを導電体によって電気的に接続した接続構造において、前記半導体素子の素子電極に前記導電体を接触させ、前記半導体素子の素子電極と前記導電体との接触を保持手段によって保持するようにした。
【００１３】
導電体は、半導体素子の素子電極に接触され、この接触は、保持手段によって保持される。導電体と半導体素子の素子電極とは、単に接触しているのみであるので、半導体素子の熱膨張率と導電体の熱膨張率とが大きく異なっていても、接続対象と接続部材とが互いに殆ど影響を受けずに熱膨張・収縮する。その結果、断線や損傷のおそれが無くなる。なお、素子電極は、半導体素子の一部として半導体に含まれるものとする。
【００１４】
請求項６の発明では、請求項５において、前記保持手段は、前記半導体素子の素子電極に前記導電体を押接するための付勢手段とした。
付勢手段は、例えば、ばね力によって半導体素子の素子電極に導電体を押し付ける手段である。このような付勢手段は、半導体素子の素子電極に導電体を適度の力で押し付けて素子電極と導電体との良好な電気的接続を確保する上で好適である。
【００１５】
請求項７の発明では、請求項５及び請求項６のいずれか１項において、前記導電体として請求項４に記載の接続部材を用い、前記接続部材の前記金属粒子を前記半導体素子の素子電極に接触させた。
【００１６】
導電性の接続部材は、金属粒子を介して半導体素子の素子電極に電気的に接続される。金属粒子と素子電極との接触面積は、金属体そのものと接続対象との面接触に比べて小さくなるので、半導体素子の素子電極と接続部材との間の静止摩擦力は、金属体そのものと半導体素子の素子電極との接触に比べて小さくなる。そのため、半導体素子の熱膨張率と接続部材の熱膨張率とが大きく異なっていても、半導体素子と接続部材とが互いに殆ど影響を受けずに熱膨張・収縮するので、断線や損傷のおそれが無くなる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した第１の実施の形態を図１及び図２に従って説明する。
【００１８】
図１に示すように、金属製の基板１１に絶縁性の蓋１２を結合してパッケージ１０が構成されている。基板１１は、例えば銅、アルミニウム等の熱伝導率の大きい材質からなる。基板１１の表面は、絶縁性の絶縁層１１１によって被覆されている。基板１１の結合部と蓋１２との結合部との間には複数の外部電極１４が挟み込まれている。外部電極１４の一端は、パッケージ１０内の収容室１３へ入り込んでおり、外部電極１４の他端は、パッケージ１０外へ突出している。図の例では外部電極１４を１つのみ図示している。基板１１の結合部と蓋１２の結合部との間は、両結合部間で挟まれている外部電極１４の部位を包むように絶縁性の封止材１５によってシールされている。
【００１９】
収容室１３には半導体素子１６が収容されている。本実施の形態では、半導体素子１６は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である。なお、ＦＥＴに換えて、バイポーラ・トランジスタやＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ダイオード等の半導体素子を用いた実施形態であっても同様に構成可能である。半導体素子１６の一面（図１において半導体素子１６の上側の面であって平面である）の全体にはドレイン用の第１の素子電極１７が設けられている。半導体素子１６の他面（図１において半導体素子１６の下側の面であって平面である）にはソース用の第２の素子電極１８とゲート用の第３の素子電極１９とが設けられている。素子電極１７，１８，１９は、半導体素子１６の一部として半導体素子１６に含まれるものとする。
【００２０】
収容室１３を形成する内底面１３１の上には導電層２０，２１が配設されている。導電層２０，２１は、銅あるいはアルミニウムでプリント配線して形成されている。導電層２０は、図示しない外部電極に電気的に接続されており、導電層２１は、図示しない別の外部電極に電気的に接続されている。第２の素子電極１８は、半田２２によって導電層２０に接続されており、第３の素子電極１９は、半田２３によって導電層２１に接続されている。
【００２１】
収容室１３内における外部電極１４の端部には板形状の導電体２４が電気的に接続されている。板形状とは、厚みｔ（図１に図示）よりも幅ｄ（図２に図示）が大きい形状のことを言う。導電体２４は、インバー（ニッケルと鉄との合金）製である。
【００２２】
図２に示すように、導電体２４の一端部（以下、接続端部２４１という）の板面２４２には金属粒子２５が固着されている。金属粒子２５は銅製であり、金属粒子２５の粒子径は、１００〜５００μｍである。金属粒子２５を固着する板面２４２の領域２４３は、平面であり、この平面の領域２４３は、半導体素子１６に接続させる導電体２４の接続領域である。平面の接続領域２４３に固着（付着）されている金属粒子２５の付着厚さは、接続領域２４３の全体にわたって一定にしてある。
【００２３】
導電体２４と金属粒子２５とは、接続対象（半導体素子１６）に接続させる金属体（導電体２４）の少なくとも接続領域（２４１）に金属粒子を付着した接続部材２６を構成する。
【００２４】
図１に示すように、蓋１２と導電体２４の接続端部２４１との間には圧縮ばね２７が介在されている。付勢手段としての圧縮ばね２７のばね力は、導電体２４の接続端部２４１を半導体素子１６に向けて付勢する。接続領域２４３に固着された金属粒子２５は、圧縮ばね２７のばね力によって第１の素子電極１７に接触し、導電体２４と半導体素子１６とが電気的に接続する。
【００２５】
金属粒子２５は、例えばアトマイズ方法によって形成される。アトマイズ方法は、例えばアルゴンガス中で金属粒子２５の素材（本実施の形態では銅）の溶湯を噴射して粒子を形成する方法である。アトマイズ方法ではほぼ球形の粒子が得られる。
【００２６】
導電体２４に対する金属粒子２５の固着は、焼結あるいは熱間圧延によって行われる。焼結による固着は、接続領域２４３を上に向けて接続領域２４３上に金属粒子２５を一定の厚さでばらまき、加熱して導電体２４に金属粒子２５を固着する方法である。熱間圧延による固着は、接続領域２４３を上に向けて接続領域２４３上に金属粒子２５をばらまき、一対の圧延ローラによって加熱・圧延して導電体２４と金属粒子２５とを一体化する方法である。
【００２７】
第１の実施の形態では以下の効果が得られる。
（１−１）導電体２４と半導体素子１６とを半田で接続した場合、半導体素子１６への通電による発熱・昇温により、半田が熱膨張する。半田の熱膨張率は、半導体素子１６の熱膨張率よりもかなり大きい。半導体素子１６の熱膨張率は、２〜５×１０−６／°Ｃであり、錫と鉛との重量％の割合が１０：９０の半田の熱膨張率は、２８．７×１０−６／°Ｃである。又、導電体２４の素材であるインバーの熱膨張率は、２．６×１０−６／°Ｃ程度であり、半田の熱膨張率は、導電体２４の熱膨張率よりもかなり大きい。そのため、半田が熱膨張すると、半導体素子１６の熱膨張と半田の熱膨張との間に大きな膨張差が生じ、半田と半導体素子１６との接合部で破断が生じたり、半導体素子１６が損傷したり、半田にクラックが生じたりする。あるいは、導電体２４の熱膨張と半田の熱膨張との間に大きな膨張差が生じ、半田と導電体２４との接合部間で破断が生じたり、半田にクラックが生じたりする。
【００２８】
本実施の形態では、金属粒子２５が半導体素子１６の第１の素子電極１７に接触しているだけであるので、接続部材２６の熱膨張と半導体素子１６の熱膨張との間の膨張差は、第１の素子電極１７に対する金属粒子２５の接触位置の変動によって吸収される。その結果、半導体素子１６と導電体２４との間の接続不良や、接続対象である半導体素子１６の損傷の発生が防止される。
【００２９】
（１−２）半導体素子１６の熱膨張率が例えば５×１０−６／°Ｃである場合、導電体２４の熱膨張は、半導体素子１６の熱膨張よりも小さい。その場合、接続部材２６と半導体素子１６との間の静止摩擦力が大きいと仮定すると、半導体素子１６側が接続部材２６側の熱膨張・収縮に引きずられて半導体素子１６が損傷するおそれがある。球形状の金属粒子２５と半導体素子１６との接触は、点接触となるので、半導体素子１６と金属粒子２５との間の静止摩擦力は小さい。そのため、半導体素子１６側が接続部材２６側の熱膨張・収縮に引きずられて半導体素子１６が損傷するおそれはない。
【００３０】
（１−３）平面と平面との接触部は、通電による温度上昇によって酸化して凝着するので、電気抵抗が増える。半導体素子１６と金属粒子２５とは点接触となるため、半導体素子１６と金属粒子２５との間の接触圧は、平面板同士の間の接触圧に比べて高くなる。そのため、半導体素子１６と金属粒子２５とを接触させる構成では、半導体素子１６と金属粒子２５との間の接触部における電気抵抗（接触抵抗）が上昇しにくいという利点がある。
【００３１】
（１−４）球形状の金属粒子２５は、アトマイズ方法等によって容易に作ることができる。容易に作ることができ、しかも接続対象に対して常に点接触となる球形状の粒子は、金属粒子２５の形状として好適である。
【００３２】
（１−５）平面の接続領域２４３は、金属粒子２５を付着させる導電体２４における付着表面である。金属粒子２５は、付着表面としての接続領域２４３上で一定の厚さで導電体２４に付着している。つまり、金属粒子２５は、接続領域２４３上で平面的に散らばることになる。一方、接続対象である半導体素子１６の第１の素子電極１７の表面は、平面である。平面的に散らばった金属粒子２５は、第１の素子電極１７の平面の表面に接触する。このような接触では、金属粒子２５と半導体素子１６とが接続領域２４３の全体にわたって均等に接触することになるので、半導体素子１６と金属粒子２５とが電気的な接続として適正に接触する。
【００３３】
（１−６）付着厚さが同一の場合、接続領域２４３における単位面積当たりの金属粒子２５の個数が多いほど、半導体素子１６と導電体２４との電気的接続は良くなる。金属体としての導電体２４は、板形状である。金属粒子２５は、この板形状の導電体２４の板面２４２（図２に図示）に付着される。導電体２４の厚みｔよりも大きい幅ｄの板面２４２は、付着厚さを変えないで単位面積当たりの個数を増やすように金属粒子２５を平面的に散らばらせる上で、金属粒子２５の付着場所として好適である。
【００３４】
（１−７）金属粒子２５は、圧縮ばね２７のばね力によって半導体素子１６に押接される。そのため、金属粒子２５と半導体素子１６とは、確実に接触する。
（１−８）導電体２４の材質であるインバーの熱膨張率は、２．６×１０−６／°Ｃであって半導体素子１６の素材であるシリコンの熱膨張率に近い。そのため、半導体素子１６と導電体２４との間での熱膨張の差が小さく、熱膨張差による半導体素子１６と金属粒子２５との間の摺接が少ない。半導体素子１６と金属粒子２５との間の摺接の少なさは、半導体素子１６の損傷を回避する上で有利である。従って、インバーは、導電体２４の素材として好適である。
【００３５】
（１−９）銅は、導電性に優れているので、導電体２４に付着させる金属粒子２５の材質として好適である。
次に、図３の第２の実施の形態を説明する。第１の実施の形態と同じ構成部には同じ符号が用いてある。
【００３６】
半導体素子１６と導電体２４との間には導電性接着剤２８が介在されている。導電性接着剤２８は、第１の素子電極１７に結合していると共に、接続領域２４３に結合している。
【００３７】
第２の実施の形態では以下の効果が得られる。
（２−１）半導体素子１６に導電性接着剤２８を塗布した後に金属粒子２５を半導体素子１６に押しつけると、導電性接着剤２８内の導電性粒子２８１が金属粒子２５と半導体素子１６との間で集団状態で挟まれる。そのため、導電性粒子２８１が第１の素子電極１７と金属粒子２５との両方に高い接触圧で接触する。第１の素子電極１７に対する導電性粒子２８１の接触面積、及び金属粒子２５に対する導電性粒子２８１の接触面積は、いずれも金属粒子２５と第１の素子電極１７との接触面積よりも大きくなる。その結果、接触抵抗が導電性接着剤２８を使用しない場合に比べて低減する。
【００３８】
（２−２）導電性接着剤２８の厚みが接続領域２４３の全体にわたって均一でなかったり、製品毎に導電性接着剤２８の厚みが異なるといった場合には、導電性接着剤２８における電気抵抗が製品毎にばらつく。金属粒子２５の付着厚さが例えば金属粒子２５の粒子径（粒子径は一定とする）と同じであるとすると、導電性接着剤２８の厚みは、接続領域２４３の全体にわたって金属粒子２５の粒子径程度というほぼ一定値になる。そのため、導電性接着剤２８における電気抵抗が製品毎にばらつくような問題は生じない。
【００３９】
（２−３）半導体素子１６と導電体２４との接続に導電性接着剤２８を用いた場合、半田による接続に比べると、導電性粒子２８１の接触により、電気的接続が確保され信頼性が向上するといった効果がある。
【００４０】
次に、図４の第３の実施の形態を説明する。第１の実施の形態と同じ構成部には同じ符号が用いてある。
内底面１３１の上には板形状のリード２９、３０が配設されている。リード２９，３０は、インバー製である。導電体としてのリード２９は、外部電極３１に電気的に接続されており、リード３０は、図示しない別の外部電極に電気的に接続されている。リード２９，３０と外部電極とは、半田あるいは溶接によって接続される。
【００４１】
半導体素子１６に接続するリード２９，３０の板面２９１，３０１側の接続領域２９２，３０２には金属粒子２５Ａが固着されている。金属粒子２５Ａは、リード２９，３０の板面２９１，３０１に平面的に散らばらせてある。金属粒子２５Ａは、金属粒子２５と同じ形状をしており、材質も同じである。金属粒子２５Ａは、圧縮ばね２７のばね力によって半導体素子１６に押接される。リード２９と金属粒子２５Ａとは、半導体素子１６に接続するための接続部材３２を構成する。リード３０と金属粒子２５Ａとは、接続対象である半導体素子１６に接続するための接続部材３３を構成する。
【００４２】
半導体素子１６とリード２９，３０との間に関して、第１の実施の形態と同じような効果が得られる。
本発明では以下のような実施の形態も可能である。
【００４３】
（１）図５に第４の実施の形態として示すように、導電体２４を半導体素子１６に向けて付勢する手段としてゴム製の弾性体３４を用いてもよい。弾性体３４は、蓋１２の裏面に止着されている。弾性体３４の材質としては、耐熱性に優れたシリコーンゴムが好適である。
【００４４】
（２）図６に第５の実施の形態として示すように、導電体２４の接続端部２４１の直上において、蓋１２の裏面に押さえ突起１２１を一体形成し、基板１１に蓋１２を結合したときには、押さえ突起１２１が導電体２４の接続端部２４１に当接して半導体素子１６に金属粒子２５を押し付けるようにすること。この場合、圧縮ばね２７や弾性体３４のような付勢手段が不要となり、部品点数が減る。突起１２１は、半導体素子１６の第１の素子電極１７と導電体２４との接触を保持するための保持手段となる。
【００４５】
（３）第１〜第５の実施の形態において、外部電極１４と導電体２４とを同じ材質で一体に形成すること。この場合、外部電極１４と導電体２４とを接続するための作業工程が不要になる。
【００４６】
（４）第３の実施の形態において、リード２９，３０と外部電極とを同じ材質で一体に形成すること。この場合、外部電極とリード２９，３０とを接続するための作業工程が不要になる。
【００４７】
（５）第１の実施の形態において、圧縮ばね２７を無くして導電体２４の接続端部２４１と半導体素子１６の第１の素子電極１７側とを絶縁樹脂でくるむこと。接続端部２４１と半導体素子１６とに結合する絶縁樹脂は、半導体素子１６と導電体２４の接続端部２４１との接続を保持する保持手段となる。
【００４８】
（６）導電体２４、リード２９，３０の材質として、銅、アルミニウムを用いること。導電性に優れた銅、アルミニウムは、導電体２４、リード２９，３０の材質として好適である。
【００４９】
（７）金属粒子２５，２５Ａの材質として、銅以外の金属（例えば、アルミニウム、インバー等）を用いること。
（８）金属粒子を付着していない板形状の導電体の接続領域を粗面に形成し、この粗面の接続領域を半導体素子に接触させて半導体素子と導電体とを電気的に接続すること。
【００５０】
（９）金属粒子を付着していない板形状の導電体を半導体素子に面接触させて半導体素子と導電体とを電気的に接続すること。
（１０）前記各実施の形態では、半導体素子の両面に本発明の接続部材を用いたが、半導体素子の片面のみに本発明の接続部材を用いてもよい。
【００５１】
（１１）本発明の接続部材を半導体素子１６に対するヒートスプレッダとして用いること。
前記した実施の形態から把握できる発明について以下に記載する。
【００５２】
〔１〕請求項７において、前記金属粒子を付着した前記導電体の接続領域と前記半導体素子との間に導電性接着剤を介在した接続構造。
【００５３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、熱応力による接続不良や損傷の発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態を示す側断面図。
【図２】要部底面図。
【図３】第２の実施の形態を示す要部拡大側断面図。
【図４】第３の実施の形態を示す側断面図。
【図５】第４の実施の形態を示す要部拡大側断面図。
【図６】第５の実施の形態を示す要部拡大側断面図。
【符号の説明】
１２１…保持手段としての突起。１４…外部電極。１６…接続対象としての半導体素子。１７，１８，１９…素子電極。２４…金属体としての導電体。２４２，２９１，３０１…板面。２４３，２９２，３０２…接続領域。２５，２５Ａ…金属粒子。２６，３２，３３…接続部材。２７…付勢手段としての圧縮ばね。２９，３０…導電体としてのリード。３４…付勢手段としての弾性体。
【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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