(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】導電体２４の接続領域２４１の表側には複数の直線状の縦溝２７と複数の直線状の横溝２８とが交差するように形成されている。接続領域２４１の裏側には複数の縦突条３０と複数の横突条３１とが交差するように形成されている。縦突条３０は、縦溝２７と重なっており、横突条３１は、横溝２８と重なっている。縦溝２７及び横溝２８は、導電体２４をプレス加工して形成するので、縦突条３０は縦溝２７に重なるように同時に形成され、横突条３１は横溝２８に重なるように同時に形成される。【選択図】　　　図２
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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板の接続領域の表側に第１の凹部又は第１の凸部を設け、前記接続領域の裏側には、前記第１の凹部と重なる第２の凸部、又は前記第１の凸部と重なる第２の凹部を設けた接続部材。
【請求項２】
前記接続領域の表側には前記第１の凹部が設けられており、前記第１の凹部は溝であり、前記溝の少なくとも一端は、前記金属板の周辺にて前記溝の延長方向に開放している請求項１に記載の接続部材。
【請求項３】
前記接続領域の表側には前記第１の凸部が設けられており、前記第１の凸部は突条であり、前記突条の少なくとも一端は、前記金属板の周辺に到達している請求項１に記載の接続部材。
【請求項４】
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、
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における接続領域と前記半導体素子の素子電極とを半田で接続した接続構造。
【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半田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板の接続領域の表側に第１の凹部又は第１の凸部を設け、前記接続領域の裏側には、前記第１の凹部と重なる第２の凸部、又は前記第１の凸部と重なる第２の凹部を設けた接続部材を構成した。
【０００７】
板の形状とは、厚みよりも幅が大きい形状のことを言う。接続領域の表側は、半田を付ける面である。第１の凹部と第２の凸部、又は第１の凸部と第２の凹部とが重なっているため、半田と金属板の接続領域との結合面積が半田と平面板との結合に比べて広くなり、かつ接続領域の裏側の面積も平面板の裏の面に比べて広くなる。このような凹凸を重ねた形状の面積の拡大は、接続領域の熱膨張量（熱膨張によって伸びる量）を平面の場合よりも増やして半田にかかる熱応力を緩和する。半田にかかる熱応力の緩和は、接続不良や接続対象の損傷の防止に寄与する。
【０００８】
請求項２の発明では、請求項１において、前記接続領域の表側には前記第１の凹部を設け、前記第１の凹部を溝とし、前記溝の少なくとも一端は、前記金属板の周辺にて前記溝の延長方向に開放させた。
【０００９】
溝は、接続領域の表側の面積を増やすのに好適である。又、溝の少なくとも一端が金属板の周辺にて溝の延長方向に開放する構成は、金属板の接続領域と半田との結合を確実にする上で好適である。
【００１０】
請求項３の発明では、請求項１において、前記接続領域の表側には前記第１の凸部を設け、前記第１の凸部を突条とし、前記突条の少なくとも一端は、前記金属板の周辺に到達させた。
【００１１】
突条は、接続領域の表側の面積を増やすのに好適である。
請求項４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を対象とし、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における接続領域と前記半導体素子の素子電極とを半田で接続した。
【００１２】
半導体素子への通電が行われると発熱して昇温し、半田及び接続部材が熱膨張する。接続部材における接続領域の形状は、接続領域の熱膨張量を増やして熱応力を緩和する。
【００１３】
【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〜図４に従って説明する。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１４Ａ，１４Ｂが挟み込まれている。外部電極１４Ａ，１４Ｂ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１４Ａ，１４Ｂ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１４Ａ，１４Ｂを２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１４Ａ，１４Ｂ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。
【００１４】
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）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）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。
【００１５】
収容室１３を形成する内底面１３１の上には板形状のリード２０，２１が配設されている。リード２０，２１は、銅製あるいはアルミニウム製である。導電体としてのリード２０は、外部電極１４Ｂに電気的に接続されており、リード２１は、図示しない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によってリード２０に接続されており、第３の素子電極１９は、半田２３によってリード２１に接続されている。
【００１６】
収容室１３内における外部電極１４Ａの端部には板形状かつ帯形状の導電体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３に図示）が大きい形状のことを言う。導電体２４は、銅製である。外部電極１４Ａ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。第１の素子電極１７は、半田２５によって導電体２４に接続されている。
【００１７】
図２（ａ）に示すように、導電体２４の一端部（以下、接続領域２４１という）の板面２６側には複数の直線状の縦溝２７と複数の直線状の横溝２８とが交差するように形成されている。板面２６は、半導体素子１６に対向する側の板面（幅となる面）であって、導電体２４（接続領域２４１）の表である。縦溝２７は、帯形状の導電体２４の長手方向に延び、縦溝２７の一端は、導電体２４の短辺２４２（図３に図示）で縦溝２７の延長方向に開放している。横溝２８は、帯形状の導電体２４の長手方向と直交する方向に延び、横溝２８の両端は、導電体２４の長辺２４３，２４４（図３に図示）にて横溝２８の延長方向に開放している。
【００１８】
図２（ｂ）に示すように、接続領域２４１の板面２９側には複数の縦突条３０と複数の横突条３１とが交差するように形成されている。板面２９は、半導体素子１６に対向する側とは反対側の板面であって、導電体２４（接続領域２４１）の裏である。縦突条３０は、縦溝２７と重なっており、横突条３１は、横溝２８と重なっている。縦溝２７及び横溝２８は、導電体２４をプレス加工して形成するので、縦突条３０は縦溝２７に重なるように同時に形成され、横突条３１は横溝２８に重なるように同時に形成される。縦溝２７及び横溝２８は、金属板としての導電体２４の接続領域２４１における板面２６（表）側に設けられた第１の凹部である。縦突条３０及び横突条３１は、接続領域２４１における板面２９（裏）側に設けられた第２の凸部である。
【００１９】
図４（ｂ），（ｃ）に示すように、リード２０，２１の接続領域２０１，２１１の板面３２，３３側には縦溝３４，３５及び横溝３６，３７が形成されている。板面３２，３３は、半導体素子１６に対向する側の板面であって、リード２０，２１（接続領域２０１，２１１）の表である。接続領域２０１，２１１の板面３８，３９側には縦突条（符号省略）及び横突条（符号省略）が縦溝３４，３５及び横溝３６，３７に重なるように形成されている。板面３８，３９は、半導体素子１６に対向する側とは反対側の板面であって、リード２０，２１（接続領域２０１，２１１）の裏である。
【００２０】
図１に示すように、半導体素子１６の第１の素子電極１７に結合している半田２５は、導電体２４の接続領域２４１における板面２６と、縦溝２７の溝形成面と、横溝２８の溝形成面とに結合している。第２の素子電極１８に結合している半田２２は、リード２０の接続領域２０１における板面３２と、縦溝３４の溝形成面と、横溝３６の溝形成面とに結合している。第３の素子電極１９に結合している半田２３は、リード２１の接続領域２１１における板面３３と、縦溝３５の溝形成面と、横溝３７の溝形成面とに結合している。
【００２１】
第１の実施の形態では以下の効果が得られる。
（１−１）半導体素子１６への通電による発熱・昇温により、半田２５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の素材である銅の熱膨張率は、１７×１０−６／°Ｃ程度であり、半田の熱膨張率は、導電体２４の熱膨張率よりも大きい。このような熱膨張率の違いは、熱応力を生じさせる。
【００２２】
縦溝２７と横溝２８とは、接続領域２４１における板面２６側の面積、即ち半田２５と接続領域２４１との結合面積を平面板の場合よりも増やす。縦突条３０と横突条３１とは、接続領域２４１における板面２９側の面積を平面板の場合よりも増やす。しかも、縦溝２７と縦突条３０とが重なっていると共に、横溝２８と横突条３１とが重なっているため、接続領域２４１における板面２６側の面積と、接続領域２４１における板面２９側の面積とが同じぐらいになる。例えば、図３に示す接続領域２４１に関する紙面上での面積（平面の場合の面積）をＸ・Ｙ（Ｘ，Ｙは、接続領域２４１の縦横の長さ）とする。そうすると、接続領域２４１における板面２６側の面積と、接続領域２４１における板面２９側の面積とは、ほぼ同じ大きさであって面積Ｘ・Ｙよりも大きい。
【００２３】
凹凸を重ねた形状によって接続領域２４１における板面２６側の面積と板面２９側の面積とを拡大した構成は、接続領域２４１の熱膨張量（熱膨張によって伸びる量）を平面の場合に比べて増やす。つまり、平面の面積Ｘ・Ｙが熱膨張によってΔだけ増えたとすると、接続領域２４１における板面２６側の面積と板面２９側の面積とは、熱膨張によって前記の増分Δよりもさらに多く増える。そのため、半田２５にかかる熱応力は、接続領域２４１における凹凸を重ねた形状によって平面板の場合よりも大きく緩和され、半田２５と導電体２４との間での破断、半田２５におけるクラック発生、半導体素子１６の損傷といった不具合が解消される。
【００２４】
（１−２）半導体素子１６と導電体２４とを接続する場合には、半導体素子１６の第１の素子電極１７に半田ペーストを塗布し、その上に導電体２４の接続領域２４１を載せ、加熱して半田を溶かす。縦溝２７の一端及び横溝２８の両端は、導電体２４の周辺にて溝の延長方向に開放している。そのため、溶けた半田が縦溝２７内及び横溝２８内の気体を排除しながら縦溝２７内及び横溝２８内へ円滑に進入できる。その結果、半田２５が縦溝２７の溝形成面の全体及び横溝２８の溝形成面の全体に確実に結合する。
【００２５】
（１−３）錫と鉛との重量％の割合が１０：９０の半田の熱伝導率は、３６Ｗ／ｍ・Ｋであり、錫と鉛との重量％の割合が５０：５０の半田の熱伝導率は、４１Ｗ／ｍ・Ｋである。このように半田の熱伝導率は小さいが、導電体２４の素材である銅の熱伝導率は３９４Ｗ／ｍ・Ｋと大きい。銅製の導電体２４の接続領域２４１における表裏の面積は、凹凸の重ね合わせ形状によって平面板の場合よりも大きくなっているため、導電体２４の放熱性は、平面板の場合よりもよくなる。放熱性の向上は、半田２２，２３，２５の昇温を抑制して熱応力の緩和に寄与する。
【００２６】
（１−４）導電体２４の素材である銅は、金属としては軟らかい方であって伸展性に優れている。そのため、銅は、プレス加工によって導電体２４に凹凸形状を形成する上で、導電体２４の材質として好適である。
【００２７】
（１−５）リード２０，２１の接続領域２０１，２１１においても、導電体２４の接続領域２４１の場合と同様の効果がもたらされる。
次に、図５（ａ），（ｂ）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。
【００２８】
外部電極１４Ａと半導体素子１６とを電気的に接続するための導電体２４Ａは銅製である。板形状の導電体２４Ａの接続領域２４１Ａの板面２６側には複数の直線状の突条４０が形成されている。突条４０は、帯形状の導電体２４Ａの長手方向と直交する方向に延び、突条４０の両端は、導電体２４Ａの長辺２４３，２４４に達している。突条４０の形成壁の厚みｋは、導電体２４Ａの厚みｔよりも小さくしてある。そして、突条４０の形成壁の外面４０１の面積は、隣り合う突条４０の間における表の板面２６１の面積よりも大きくしてある。
【００２９】
接続領域２４１Ａの板面２９側には複数の溝４１が形成されている。溝４１の両端は、導電体２４Ａの長辺２４３，２４４にて溝４１の延長方向に開放している。溝４１と突条４０とは重なっている。突条４０は、導電体２４Ａをプレス加工して形成するので、溝４１は突条４０に重なるように同時に形成される。突条４０は、導電体２４Ａの接続領域２４１Ａにおける板面２６（表）側に設けられた第１の凸部である。溝４１は、接続領域２４１Ａにおける板面２９（裏）側に設けられた第２の凹部である。
【００３０】
第２の実施の形態においても、第１の実施の形態における（１−１）項、（１−３）項及び（１−４）項と同様の効果が得られる。又、以下のような効果が得られる。
【００３１】
（２−１）隣合う突条４０の間は、溝になっているが、この溝の両端が長辺２４３，２４４にて溝の延長方向に開放している。そのため、溶けた半田が溝内の気体を排除しながら溝内へ円滑に進入できる。つまり、第２の実施の形態においても、第１の実施の形態における（１−２）項と同様の効果が得られる。
【００３２】
（２−２）半田２５は、突条４０の外面４０１と、隣り合う突条４０の間における板面２６１とに結合する。突条４０の形成壁の厚みｋは、導電体２４Ａの厚みｔよりも小さくしてあるので、突条４０は、板面２６１に対応する導電体２４の板部分よりも熱膨張によって変形し易い。この変形のし易さは、熱応力の緩和に寄与する。
【００３３】
（２−３）突条４０を導電体２４Ａの表側に設けた構成は、突条４０を半導体素子１６に近づける。そのため、半導体素子１６で発生する熱が突条４０を伝って逃げ易くなる。つまり、突条４０を導電体２４Ａの表側に設けた構成は、放熱性を高める上で有利である。
【００３４】
次に、図６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。
導電体２４Ｂは、金属板をプレス加工あるいは折り曲げ加工して蛇腹形状に形成されている。導電体２４Ｂの表側の溝４２と、導電体２４Ｂの裏側の突条４３とは、重なり合っている。溝４２の溝形成面は、一対の平面を交差した形状である。溝４２は、導電体２４Ｂの表側に設けられた第１の凹部である。突条４３は、導電体２４Ｂの裏側に設けられた第２の凸部である。導電体２４Ｂの一端は、半田によって外部電極１４Ａに接続されている。
【００３５】
第３の実施の形態では、第１の実施の形態における（１−１）項、（１−３）項及び（１−４）項、及び第２の実施の形態における（２−１）項と同様の効果が得られる。
【００３６】
本発明では、図７に示す第４の実施の形態、図８（ａ），（ｂ）に示す第５の実施の形態も可能である。
第４の実施の形態における導電体２４Ｃは、金属板をプレス加工あるいは折り曲げ加工して蛇腹形状に形成されている。導電体２４Ｃの表側の溝４４と、導電体２４Ｃの裏側の突条４５とは、重なり合っている。溝形成面が曲面である溝４２は、導電体２４Ｃの表側に設けられた第１の凹部である。突条４５は、導電体２４Ｃの裏側に設けられた第２の凸部である。
【００３７】
第４の実施の形態では第３の実施の形態と同じ効果が得られる。又、溝４４の溝形成面は、角のない曲面であるが、角のない曲面は、熱応力を分散する上で有利である。
【００３８】
第５の実施の形態における導電体２４Ｄは、表側に複数の凹部４６を備えると共に、裏側に複数の凸部４７を備えている。凹部４６と凸部４７とは、重なり合っている。
【００３９】
接続領域の表側の面積を増やすほど、接続領域における熱膨張量が大きくなる。凹部４６は、接続領域の表側の面積を増やすのに好適である。
本発明では以下のような実施の形態も可能である。
【００４０】
（１）第１の実施の形態において、導電体２４、リード２０，２１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。
（２）第１の実施の形態において、縦突条３０及び横突条３１を半導体素子１６に対向させるように導電体２４と半導体素子１６とを接続すること。この場合、縦突条３０及び横突条３１が導電体２４の表側の第１の凸部となり、縦溝２７及び横溝２８が導電体２４の裏側の第２の凹部となる。この実施の形態においても、第１の実施の形態と同じような効果が得られる。
【００４１】
（３）第２の実施の形態において、溝４１を半導体素子１６に対向させるように導電体２４Ａと半導体素子１６とを接続すること。この場合、溝４１が導電体２４Ａの表側の第１の凹部となり、突条４０が導電体２４Ａの裏側の第２の凸部となる。この実施の形態においても、第２の実施の形態における（２−１）項、（２−２）項と同じような効果が得られる。
【００４２】
（４）第５の実施の形態において、凸部４７を半導体素子１６に対向させるように導電体２４Ｄと半導体素子とを接続すること。この場合、凸部４７が導電体２４Ｄの表側の第１の凸部となり、凹部４６が導電体２４Ｄの裏側の第２の凹部となる。
【００４３】
（５）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。
（６）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。
【００４４】
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。
〔１〕請求項１乃至請求項３のいずれか１項において、熱膨張率が半田よりも小さい材質で前記金属板を形成した接続部材。
【００４５】
〔２〕請求項１乃至請求項３、前記〔１〕項のいずれか１項において、前記第１の凹部又は第１の凸部を複数設けた接続部材。
【００４６】
【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】（ａ），（ｂ）は要部拡大斜視図。
【図３】要部底面図。
【図４】（ａ），（ｂ）は要部拡大斜視図。
【図５】第２の実施の形態を示し、（ａ）は要部側断面図。（ｂ）は要部拡大斜視図。
【図６】第３の実施の形態を示し。（ａ）は要部側断面図。（ｂ）は要部拡大斜視図。
【図７】第４の実施の形態を示す要部拡大斜視図。
【図８】（ａ），（ｂ）は第５の実施の形態を示す要部拡大斜視図。
【符号の説明】
１４Ａ，１４Ｂ…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。２０，２１…金属板としてのリード。２０１，２１１…接続領域。２２，２３，２５…半田。２４，２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ，２４Ｄ…金属板としての導電体。２４１，２４１Ａ…接続領域。２４２…周辺としての短辺。２４３，２４４…周辺としての長辺。２６，３２，３３…表の板面。２７，３４…第１の凹部としての縦溝。２８，３５，３６…第１の凹部としての横溝。２９，３８，３９…裏の板面。３０…第２の凸部としての縦突条。３１…第２の凸部としての横突条。４０…第１の凸部としての突条。４１…第２の凹部としての溝。４２，４４…第１の凹部としての溝。４３，４５…第２の凸部としての突条４３。４６…第１の凹部。４７…第２の凸部。
【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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【図７】
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【図８】
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