(57)【要約】【課題】  配線パターンに形成された未接合部（配線基板と接着されていない部分）が熱処理によって生じる応力を緩和する作用を配線変形を生じないように十分機能させる半導体装置を提供する。【解決手段】  半導体素子１０からの発熱によりパッケージは膨脹して応力が発生し、この応力がパッケージの寿命低減の要因となる。発生した応力を軽減するためにソースパターン３ｃなどの配線パターン３の途中に形成された未接合部８に切り込み９或いは切り欠きを設けて未接合部の変形を軽減し、はんだ接続時に発生する隙間によって生じる不十分な接続を無くす。その結果複数の外部端子に発生する高さのバラツキを改善することができる。配線基板１と外部端子５との確実な接続が可能になる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
第１の主面に形成された配線パターンを有し、前記半導体素子を搭載する絶縁性の配線基板と、
前記絶縁性の配線基板の第２の主面に接合された放熱板とを具備し、
前記配線パターンは、少なくとも１つの前記第１の主面と接合されていない未接合部を有し、この未接合部には切り込みもしくは切り欠きが施されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記切り込みによって、前記未接合部は、分離されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記切り込みもしくは切り欠きが施された未接合部は、この切り込みもしくは切り欠きを介して導通部を有していることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記未接合部は、配線パターンを構成する配線の中間に形成されていることを特徴としている請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記配線パターンの前記未接合部には外部端子が接合されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力用半導体装置に係り、とくに放熱を目的とする主として材質が銅等である放熱板と、パターン配線を有する絶縁板（主として絶縁板の材料は、セラミック等、パターン部材は銅等）とを有するパッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電力用半導体装置において、放熱板とパターン配線を有する絶縁板（以下、配線基板という）とは、はんだにより固着されている。例えば、セラッミックからなる配線基板とその上の銅膜などからなる配線パターンは、熱膨張係数が異なっており、半導体素子より発生する熱によってバイメタル効果による反りが発生し、配線基板上の外部端子接続部に応力が発生する。このため、この接続部において、配線基板のセラミック等と銅配線を部分的に未接合とし、応力の軽減を図っていた。図７は、配線パターンに部分的に未接合部を形成して応力緩和を図った従来の電力用半導体装置の平面図、図８は、図７のＡ−Ａ′線方向に沿う部分の断面図、図９は、図７のＢ−Ｂ′線方向に沿う部分の断面図である。
【０００３】
放熱板１０２は、熱伝導性の良い金属、例えば、銅からなり、その上にはんだ１０７により配線基板１０１を接合している。配線基板１０１は、アルミナやＳｉＮ、ＡｌＮなどの放熱性の良いセラミックなどからなり、主面及び裏面の両面に銅パターンが形成されている。裏面に形成された裏面銅パターン１０４は、放熱板とのはんだ接合を可能にするために形成されたものであり、裏面銅パターン１０４と放熱板１０２とははんだ１０７により固着されている。配線基板１０１主面の配線パターンは、ゲート端子１０５ａ（１０５）がはんだ接合（図示せず）されたゲートパターン１０３ａ（１０３）、ドレイン端子１０５ｂ（１０５）がはんだ接合（図示せず）されたドレインパターン１０３ｂ（１０３）、ソース端子１０５ｃ（１０５）がはんだ接合（図示せず）されたソースパターン１０３ｃ（１０３）から構成されている。外部端子１０５は、ゲート端子１０５ａ、ドレイン端子１０５ｂ及びソース端子１０５ｂから構成されている。
セラミック配線基板に配線パターンを形成する方法には、活性金属化法もしくは、いわゆるＤＢＣ法といわれる、直接配線基板を構成するセラミックに銅パターンを形成する方法などがある。
【０００４】
配線パターン１０３のドレインパターン１０３ｂには電力用半導体素子（半導体チップ）１１０がはんだ接合（図示せず）により固着されている。この従来例ではソースパターン１０３ｃに熱に、より発生する応力を緩和するため配線基板との未接合部１０８を形成している（未接合部以外の部分は配線基板に接合（接着固定）されている）。そして、この未接合部１０８にソース端子１０６ｃが形成されている。この未接合部は、必要に応じてゲートパターンやドレインパターンなどにも併せて形成するようにし、ソースパターン以外のパターンにのみ形成するようにすることもある。
半導体素子１１０とゲートパターン１０３ａとの電気的接続は、両者をボンディングするＡｌなどのボンディングワイヤ１０６ａ（１０６）により行われ、半導体素子１１０とソースパターン１０３ｃとの電気的接続は、両者をボンディングするＡｌなどのボンディングワイヤ１０６ｃ（１０６）により行われる。この場合は、電流量を分散するために複数のワイヤを用いるのが通常である。
従来の半導体装置の製造において、アルミニウム電極パターンにスリットを形成することによってアルミふくれ発生を防止する技術が特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特開平５−９０６２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来方法では、半導体素子をパッケージングする際の製造時にかかる熱により配線基板の未接合部分の銅配線が変形して接続不良が生じ、これが製造の不具合の要因となっていた。図１０は、図７のＢ−Ｂ′線に沿う部分の配線基板の断面図であり、このような従来構造の未接合部変形の推移を説明している。加熱前は、セラミックなどからなる配線基板１０１の両面に銅配線パターン１０３を構成するソースパターン１０３ｃ、ソースパターン１０３ｃに設けられた未接合部１０８及び裏面銅パターン１０４が密着している（図１０（ａ））。次に、製造時の加熱によりソースパターン１０３ｃの未接合部１０８は、バイメタル効果により反ってしまい、そこに応力が発生する。未発生部１０８は、この応力を緩和するが、未接合部１０８と配線基板１０１との間には空隙が発生するように変形部ができる（図１０（ｂ））。そして、その後冷却処理が行われて配線基板の反りは無くなっても変形部は残ってしまう（図１０（ｃ））。このような変形した未接合部１０８が存在するために、この部分にソース端子１０５ｃをはんだ接合しても十分な接続ができない（図１０（ｄ））という問題があった。
【０００６】
本発明は、このような事情によりなされたものであり、配線パターンに形成された未接合部（配線パターンの配線基板に接着していない部分）が十分機能するような半導体装置を提供する。
なお、未接合部を配線パターンの端に形成する場合は、未接合部の一端はフリーの状態にあるので、このような問題は発生しない。このような問題は、配線パターンの配線の途中（例えば、図１０（ａ）参照）にあって、未接合部が接合部に両端を押さえられている状態のときに発生する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
半導体素子からの発熱によりパッケージは膨脹して応力が発生し、この応力がパッケージの寿命低減の要因となる。本発明は、発生した応力を軽減するために配線パターンに形成された未接合部（配線基板に接着されていない部分）に切り込み或いは切り欠きを設けて未接合部の変形を軽減し、はんだ接続時に発生する隙間によって生じる不十分な接続を無くすことを特徴としている。
即ち、本発明の半導体装置は、半導体素子と、第１の主面に形成された配線パターンを有し、前記半導体素子を搭載する絶縁性の配線基板と、前記絶縁性の配線基板の第２の主面に接合された放熱板とを具備し、前記配線パターンは、少なくとも１つの前記第１の主面と接合されていない未接合部を有し、この未接合部には切り込みもしくは切り欠きが施されていることを特徴としている。前記切り込みによって、前記未接合部は、分離されているようにしても良い。前記切り込みもしくは切り欠きが施された未接合部は、この切り込みもしくは切り欠きを介して導通部を有しているようにしても良い。前記未接合部は、配線パターンを構成する配線の中間に形成されているようにしても良い。前記配線パターンの前記未接合部には外部端子が接合されているようにしても良い。前記外部端子は、ゲート端子、ソース端子及びドレイン端子からなるようにしても良い。
【０００８】
前記配線パターンは、前記ゲート端子が接合されたゲートパターン、前記ソース端子が接合されたソースパターン及び前記ドレイン端子が接合されたドレインパターンからなるようにしても良い。前記配線パターンは、銅、アルミニウム又はそれらの合金からなるようにしても良い。前記絶縁性の配線基板は、セラミックもしくは樹脂含浸ガラス繊維基板からなるようにしても良い。前記セラミックは、Ａｌ2 Ｏ3 、ＡｌＮ、ＳｉＮのいずれかであるようにしても良い。
特許文献１にはアルミふくれを防止するためにスリットを形成することが記載されているが、これは、下地に接着された部分に設けている（この場合下地は、チップであり、チップ表面に接着されている）のであるが、本発明では、下地に接着していない未接合部に切り込みを設けている。本発明の場合下地は配線基板であり、配線パターンへの切り込みは下地に接してはいても接合（接着固定）されていない部分に設けるものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、配線基板の配線パターンの変形を軽減でき、その結果複数の外部端子に発生する高さのバラツキを改善することができる。また、外部端子と配線基板の配線パターンへのはんだ接続時に発生する配線パターンと配線基板間の隙間による不十分な接着が解消され、配線基板と外部端子との確実な接続が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は、配線基板と外部端子との確実な接続を可能にするものであって、以下、実施例を参照して発明の実施の形態を説明する。
【実施例１】
【００１１】
まず、図１乃至図３を参照して実施例１を説明する。
図１は、配線パターンに配線基板との未接合部を形成して応力緩和を図ったこの実施例の電力用半導体装置の平面図、図２及び図３は、未接合部変形の推移を説明する図１のＡ−Ａ′線方向に沿う部分の配線基板の断面図である。
【００１２】
放熱板２は、熱伝導性の良い金属、例えば、銅からなり、その上に配線基板１が搭載されている。熱伝導性の良い金属としては、この他に青銅などがある。配線基板１は、アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）や窒化珪素（ＳｉＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などから選ばれた放熱性の良いセラミックなどからなり、主面及び裏面の両面に銅パターンが形成されている。裏面に形成された裏面銅パターン４は、放熱板とのはんだ接合を可能にするために形成されたものである。これにより、配線基板１と放熱板２とは、図示はしないが、はんだ（図８のはんだ１０７参照）により固着されている。配線基板１主面の銅パターンからなる配線パターン３は、ゲート端子５ａ（５）がはんだ接合（図示せず）されたゲートパターン３ａ、ドレイン端子５ｂ（５）がはんだ接合（図示せず）されたドレインパターン３ｂ、ソース端子５ｃ（５）がはんだ接合（図示せず）されたソースパターン３ｃから構成されている。外部端子５は、ゲート端子５ａ、ドレイン端子５ｂ及びソース端子５ｂから構成されている。
【００１３】
セラミック配線基板に配線パターンを形成する方法には、従来技術と同様に、活性金属化法もしくは、いわゆるＤＢＣ法といわれる、直接配線基板を構成するセラミックに銅パターンを形成する方法などがある。
配線パターン３のドレインパターン３ｂには電力用半導体素子（半導体チップ）１０がはんだ接合（図示せず）により固着されている。この実施例では、ソースパターン３ｃに熱により発生する応力を緩和する未接合部８を形成している。そして、この未接合部８にソース端子５ｃが形成されている。
この未接合部８には、本発明の特徴である切り込み９が設けられており、この切り込みにより未接合部８は２つに分離されている。未接合部８に接続されたソース端子５ｃは、この切り込み９に跨がって配置されている。
【００１４】
次に、図２及び図３を参照しながら、この実施例の未接合部変形の推移を説明する。加熱前は、配線基板１の両面に、銅配線パターン３を構成するソースパターン３ｃ、ソースパターン３ｃに設けられ、切り込み９が形成されている未接合部８及び裏面銅パターン４が密着している（図２（ａ））。次に、製造時の加熱により、バイメタル効果により、配線基板１が反ってしまい、未接合部８には応力が発生する（図２（ｂ））。未発生部８は、この応力を緩和するが、従来技術では未接合部と配線基板との間には空隙が発生して変形部ができてしまう。そして、その後冷却処理が行われて配線基板の反りは無くなっても変形部は残ってしまう（図１０（ｃ）参照）。このような変形した未接合部が存在するために、この部分にソース端子をはんだ接合しても十分な接続ができないという問題があった。この実施例では、この切り込み９が変形部の形成を防いでいる。即ち、その後冷却処理が行われて配線基板の反りは無くなってからは変形部も形成されることはなく（図２（ｃ））、この部分にソース端子５ｃをはんだ接合しても十分な接続ができる（図３）。
【００１５】
本発明においては、この未接合部は、必要に応じてゲートパターンやドレインパターンなどにも併せて形成するようにし、ソースパターン以外のパターンにのみ形成するようにすることもある。
半導体素子１０と配線パターン３との電気的接続は、ボンディングワイヤ６により行われる。ボンディングワイヤ６は、ゲートパターン３ａとの電気的接続に用いられるＡｌなどのボンディングワイヤ６ａ及びソースパターン３ｃとの電気的接続に用いられるＡｌなどのボンディングワイヤ６ｃ（電流量を分散するために複数のワイヤを用いるのが通常である）からなる。
以上、実施例で説明したように、配線パターンの途中に形成された未接合部に切り込みを形成したので、配線基板上に配置された配線パターンの変形を軽減でき、その結果複数の外部端子に発生する高さのバラツキを改善することができた。また、外部端子と配線基板の配線パターンへのはんだ接続時に発生する配線パターンと配線基板間の隙間による不十分な接着が解消され、配線基板と外部端子との確実な接続が可能になった。
【実施例２】
【００１６】
次に、図４及び図５を参照して実施例２を説明する。
図４は、配線パターンに配線基板との未接合部を形成して応力緩和を図ったこの実施例の電力用半導体装置の平面図、図５は、図４のＡ−Ａ′線方向に沿う部分の配線基板の断面図である。放熱板２２は、熱伝導性の良い金属、例えば、銅からなり、その上に配線基板２１が搭載されている。配線基板２１は、アルミナなど放熱性の良いセラミックなどからなり、主面及び裏面の両面に銅パターンが形成されている。裏面に形成された裏面銅パターン２４は、放熱板２２とのはんだ接合を可能にするために形成されたものである。これにより、配線基板２１と放熱板２２とは、図示はしないが、はんだにより固着される。配線基板２１主面の銅パターンからなる配線パターン２３は、ゲート端子２５ａ（２５）がはんだ接合（図示せず）されたゲートパターン２３ａ、ドレイン端子２５ｂ（２５）がはんだ接合（図示せず）されたドレインパターン２３ｂ、ソース端子２５ｃ（２５）がはんだ接合（図示せず）されたソースパターン２３ｃから構成されている。外部端子２５は、ゲート端子２５ａ、ドレイン端子２５ｂ及びソース端子２５ｂから構成されている。
【００１７】
配線パターン２３のドレインパターン２３ｂには電力用半導体素子（半導体チップ）２０がはんだ接合（図示せず）により固着されている。この実施例では、ソースパターン２３ｃに熱により発生する応力を緩和する未接合部２８を形成している。そして、この未接合部２８にソース端子２５ｂが形成されている。
この未接合部２８には、本発明の特徴である未接合部を分離しない切り込み（即ち、切り欠き）２９が設けられている。ソース端子２５ｃは、２つに分岐した先端部を有しており、各先端部を、切り込みを行った残りの互いに対向する２つの領域にそれぞれ接合しそれらを１つに纏めて構成されている。
半導体素子２０と配線パターン２３との電気的接続は、ボンディングワイヤ（図示せず）により行われる。ボンディングワイヤは、ゲートパターンとの電気的接続に用いられるＡｌなどのボンディングワイヤ及びソースパターンとの電気的接続に用いられるＡｌなどのボンディングワイヤからなる。
【００１８】
以上、実施例で説明したように、配線パターンの途中に形成された配線基板との未接合部に切り込みを形成したので、配線基板上に配置された配線パターンの変形を軽減でき、その結果複数の外部端子に発生する高さのバラツキを改善することができた。また、外部端子と配線基板の配線パターンへのはんだ接続時に発生する配線パターンと配線基板間の隙間による不十分な接着が解消され、配線基板と外部端子との確実な接続が可能になった。また、この実施例では切り込み形成を途中まで実施してする。即ち、切り込みを入れた銅パターンを３ｍｍの幅が残るように導通を残した。このように構成することにより、切り込みによるパターン間の電位の相違が発生しないようにすることが可能になった。また、外部端子は、その太さを無制限に大きくできるものではない。そこで、この実施例のように、切り込みを行った残りの互いに対向する２つの領域にそれぞれ最大径のワイヤを接合してそれらを１つに纏めれば大きな電流が分散される外部端子が形成される。
【実施例３】
【００１９】
次に、図６を参照して実施例３を説明する。
図６は、配線パターンに配線基板との未接合部を形成して応力緩和を図ったこの実施例の電力用半導体装置の平面図である。放熱板３２は、熱伝導性の良い金属、例えば、銅からなり、その上に配線基板３１が搭載されている。配線基板３１は、アルミナなど放熱性の良いセラミックなどからなり、主面及び裏面の両面に銅パターンが形成されている。裏面に形成された裏面銅パターン（図示せず）は、放熱板３２とのはんだ接合を可能にするために形成されたものである。これにより、配線基板３１と放熱板３２とははんだ（図示せず）により固着される。配線基板３１主面の銅パターンからなる配線パターン３３は、ゲート端子３５ａ（３５）がはんだ接合（図示せず）されたゲートパターン３３ａ、ドレイン端子３５ｂ（３５）がはんだ接合（図示せず）されたドレインパターン３３ｂ、ソース端子３５ｃ（３５）がはんだ接合（図示せず）されたソースパターン３３ｃから構成されている。外部端子３５は、ゲート端子３５ａ、ドレイン端子３５ｂ及びソース端子３５ｂから構成されている。
【００２０】
配線パターン３３のドレインパターン３３ｂには電力用半導体素子（半導体チップ）３０がはんだ接合（図示せず）により固着されている。この実施例では、ゲートパターン３３ａ、ドレインパターン３３ｂ、ソースパターン３３ｃの各パターンに熱により発生する応力を緩和する未接合部３８、３８′、３８″を形成している。そして、この未接合部３８、３８′、３８″に各外部端子３５（３５ａ、３５ｂ、３５ｃ）が形成されている。
この未接合部には、本発明の特徴である未接合部を分離した切り込みが設けられている。まず、ゲートパターン３３ａ及びソースパターン３３ｃには、各中央部分に未接合部３８、３８″が配置しており、各未接合部には切り込み３９、３９″が形成されている。これらの切り込みは実施例１のものと同じである。しかし、ドレインパターン３３ｂに形成される未接合部の構造は、他と異なる。ドレインパターン３３ｂのほぼ中央部分に１対のスリット４０が形成され、そのスリット４０間が未接合部３８′になっている。ここにはスリット４０間に切りを入れて形成された切り込み３８′が設けられている。
【００２１】
半導体素子３０と配線パターン３３との電気的接続は、ボンディングワイヤ３６により行われる。ボンディングワイヤ３６は、ゲートパターン３３ａとの電気的接続に用いられるＡｌなどのボンディングワイヤ３６ａ及びソースパターン３３ｃとの電気的接続に用いられるＡｌなどのボンディングワイヤ３６ｃからなる。
以上、実施例で説明したように、配線パターンの途中に形成された未接合部に切り込みを形成したので、配線基板上に配置された配線パターンの変形を軽減でき、その結果複数の外部端子に発生する高さのバラツキを改善することができた。また、外部端子と配線基板の配線パターンへのはんだ接続時に発生する配線パターンと配線基板間の隙間による不十分な接着が解消され、配線基板と外部端子との確実な接続が可能になった。
【００２２】
本発明は、配線パターンの任意の部分に任意の個数未接合部を配置することができる。例えば、ドレインパターンのみに未接合部を形成し、他のゲートパターン及びソースパターンには未接合部を形成せずに固定するように構成した半導体装置に本発明を適用した場合、配線基板の中心部分の未接合部の部分において応力の緩和が適正に作用し、その両端のパターンは固定されているので、振動に強い構造となり、溶接機や掃除機などの振動系の電気機器に適している。また、本発明では、半導体装置に組み込まれるトランジスタがＭＯＳトランジスタであってもバイポーラトランジスタであっても良い。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明は、エレベータ、無停電電源装置などは勿論、溶接機、掃除機、車両など振動の多い電気機器にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施例１に係る配線パターンに未接合部を形成して応力緩和を図った電力用半導体装置の平面図。
【図２】未接合部変形の推移を説明する図１のＡ−Ａ′線方向に沿う部分の配線基板の断面図。
【図３】未接合部変形の推移を説明する図１のＡ−Ａ′線方向に沿う部分の配線基板の断面図。
【図４】本発明の実施例２に係る配線パターンに未接合部を形成して応力緩和を図った電力用半導体装置の平面図。
【図５】図４のＡ−Ａ′線方向に沿う部分の配線基板の断面図。
【図６】本発明の実施例３に係る配線パターンに未接合部を形成して応力緩和を図った電力用半導体装置の平面図。
【図７】配線パターンに部分的に未接合部を形成して応力緩和を図った従来の電力用半導体装置の平面図。
【図８】図７のＡ−Ａ′線方向に沿う部分の断面図。
【図９】図７のＢ−Ｂ′線方向に沿う部分の断面図。
【図１０】図７のＢ−Ｂ′線に沿う部分の配線基板の断面図。
【符号の説明】
【００２５】
１、２１、３１、１０１      配線基板
２、２２、３２、１０２      放熱板
３、２３、３３、１０３      配線パターン
３ａ、２３ａ、３３ａ、１０３ａ      ゲートパターン
３ｂ、２３ｂ、３３ｂ、１０３ｂ      ドレインパターン
３ｃ、２３ｃ、３３ｃ、１０３ｃ      ソースパターン
４、２４、１０４      裏面銅パターン
５、２５、３５、１０５      外部端子
５ａ、２５ａ、３５ａ、１０５ａ      ゲート端子
５ｂ、２５ｂ、３５ｂ、１０５ｂ      ドレイン端子
５ｃ、２５ｃ、３５ｃ、１０５ｃ      ソース端子
６、６ａ、６ｃ、３６、３６ａ、３６ｃ、１０６、１０６ａ、１０６ｃ      ボンディングワイヤ
７、１０７      はんだ
８、２８、３８、３８′、３８″、１０８      未接合部
９、２９、３９、３９′、３９″      切り込み（切り欠き）
１０、２０、３０、１１０      半導体素子
４０      スリット
【図１】
2005136296.tif 000003
【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】
2005136296.tif 000008
【図７】
2005136296.tif 000009
【図８】
2005136296.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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