(57)【要約】【課題】  耐熱性と400℃以下のダイボンディング性を備えた鉛を使用しない接合材料を用いた熱疲労信頼性がある鉛を使用しない半導体装置を提供する。【解決手段】  43wt％≦Sb/(Sn+Sb)重量比＜53wt％の組成比率のSn-Sb合金に、Ag、Cuを１種以上かつ5〜30wt%の量を添加した合金を半田材６、７、８、９とし半導体素子１とベース電極２、リード電極３とを、間に熱膨張率10ppm以下の低熱膨張部材４を介在させて接合する。各部材の接合面をNiメタライズ化して耐熱性とダイボンディング性を確保した。半導体素子１の破損防止と熱疲労寿命の向上を同時に可能にした。250℃の耐熱信頼性、7000回以上の熱疲労信頼性を確保できる鉛を使用しない半導体装置Ａを提供できる。耐熱性と熱疲労寿命を低下させずに接合材に鉛を使用しないことが求められている自動車用途向けの大容量半導体装置として有効に適用することができる。【選択図】  図１
2005340267.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
整流作用を有する半導体素子と、前記半導体素子の一方の電極面と接合材によって電気的に接続されたリード電極端子と、前記半導体素子の他方の電極面と接合材によって接続されたベース電極端子と、前記半導体素子と両前記電極端子との接合部分を絶縁封止する絶縁部材とを備えた半導体装置であって、
前記接合材が、固相線温度が300℃以上、かつ液相線温度が400℃以下で、Pbを含まずSn、Sbを主要構成元素とする合金材料で構成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
整流作用を有する半導体素子と、前記半導体素子の一方の電極面と接合材によって電気的に接続されたリード電極端子と、前記半導体素子の他方の電極面と接合材によって接続されたベース電極端子と、前記半導体素子と両前記電極端子との接合部分を絶縁封止する絶縁部材とを備えた半導体装置であって、
前記リード電極端子と前記半導体素子の電極面の間に、熱膨張率が10ppm以下で、前記半導体素子と接合される面の外形寸法が前記半導体素子の電極面の外形寸法より小さい薄板状の第１の低熱膨張部材が配置され、
前記ベース電極端子と前記半導体素子の電極面の間に、熱膨張率が10ppm以下で、前記半導体素子と接合される面の外形寸法が前記半導体素子の電極面の外形寸法より大きい薄板状の第２の低熱膨張部材が配置され、
前記ベース電極端子と前記第２の低熱膨張部材との間、前記第２の低熱膨張部材と前記半導体素子との間、前記半導体素子と前記第１の低熱膨張部材との間、前記第１の低熱膨張部材と前記リード電極端子との間がいずれも、固相線温度300℃以上、かつ液相線温度が400℃以下で、Pbを含まずSn、Sbを主要構成元素とする合金の接合材で電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の半導体装置において、
前記接合材は、43wt％≦Sb/(Sn+Sb)重量比＜53wt％の組成比率のSn、Sbに、Ag、Cuを１種以上かつ5〜30wt%の量を含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項３記載の半導体装置において、
前記接合材は、0.01〜5wt%のNi、Ge、Zn、Ga、0.005〜0.5wt%のPのいずれか１種以上を含む合金であることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１または２記載の半導体装置において、
前記接合材により接合されてなる前記接合部分は、金属材料構成がNi／前記接合材／Niであることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項２記載の半導体装置において、
前記第１の低熱膨張部材及び、または前記第２の低熱膨張部材が、熱膨張率4ppm以下の材料と高導電性材料が積層された構造であり、
リード電極端子側の前記第１の低熱膨張部材の外形寸法が前記半導体素子の電極面の外形寸法より小さく、
ベース電極端子側の前記第２の低熱膨張部材の外形寸法が前記半導体素子の電極面の外形寸法より大きいことを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項２記載の半導体装置において、
前記第１の低熱膨張部材及び、または前記第２の低熱膨張部材はリングに形成されて前記半導体素子に接合され、
前記リード電極端子及び、または前記ベース電極端子が前記リングの内側で前記半導体素子に接合されていることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車用途に用いられる半導体装置に関し、特に半導体装置の鉛不使用化、熱疲労寿命向上、耐熱性向上を図った接合構造を持つ高耐熱半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体装置の半導体素子接合には、Pbが90％以上で他にSn、Agなどを数％含む高融点半田材料が使われていた。その構造は、Cuベース電極、Cu/Fe-Ni合金/Cuからなる応力緩衝用低熱膨張部材、半導体素子、Cuリード電極を積層した構成で、各部材間を鉛入り高融点半田で接合した構造である。各部材および半導体素子の上下電極には、Niめっきを施している。
【０００３】
一方、近年は、環境を有害物質の汚染から守ることが重要となってきており、電子装置の組立部材から鉛を除去することが求められている。しかし、現状は、従来の鉛入り高温半田材にそのまま置き換え可能な鉛を使用しない高温半田材は開発されておらず、金属系ではZnAl系やSnSb系の高温半田材が知られているものの、実用上種々の問題を有しており、半導体装置への適用は困難である。特許文献１には、ZnAl共晶合金をはんだ材として使用する発明が開示されている。また、特許文献２には、Sn-Sb系合金をはんだ材として用いた発明が開示されている。
【特許文献１】特開２０００−６１６８６号公報
【特許文献２】特開２００１−２３７２５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
自動車用の半導体装置では、半導体装置１個当たりの電流容量を増加することが求められている。従来の半導体装置素子で通電電流を増すと素子からの発熱が増加し、半導体装置の使用温度が高くなる。このため、半導体装置の耐熱性向上が大きな技術課題になっている。また、もう一つの課題としては、環境保護の観点から欧州を中心に規制が加えられようとしている自動車機器あるいは電子機器の鉛使用禁止の問題がある。
【０００５】
従来の鉛入り高温半田材を用いた半導体装置では、半田材が柔らかいため半導体素子とCuリード電極あるいは半導体素子とCu/Fe-Ni/Cuの低熱膨張部材間の熱歪をほとんど半田部で吸収しており、使用温度が上昇すると短期間に半田内にクラックが進展したり、接合界面に成長したNiSn化合物が原因となって化合物と半田界面あるいは化合物とNiめっき界面にクラックを生じて寿命が短くなるという問題がある。
【０００６】
従来知られている鉛を使用しない高温半田材の１つであるZnAl系高融点半田は、半田ペレットの表面に化学的に安定で機械的に強固なAl酸化膜が形成されており、水素雰囲気下でも還元されず濡れ拡がり性が悪いという問題がある。
【０００７】
一方、SnSb系高融点半田は濡れ性は良いものの、固相温度が300℃以上の組成では液相温度が400℃以上と高く、半田接合温度を400℃以上とする必要があるため作業性に劣り、また材質的に硬いため接合後の冷却過程で半導体素子に割れが発生したり、温度サイクル試験で半導体素子が割れてしまうという問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、組立時の半田接合性に優れ、250℃までの高温環境下で使用可能な鉛を使用しない半導体装置に関する技術を提供することにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、接合組立後の冷却過程や温度サイクル試験における半導体素子の割れを防止し、素子への通電と遮断の繰り返しに伴う熱疲労寿命に優れた半導体装置に関する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【００１１】
すなわち、組立時の半田接合性に優れ、250℃までの高温環境下で使用可能な鉛を使用しない半導体装置に関する技術を提供する第１の目的を達成するために、半導体素子および両電極端子部材の表面にNiめっき膜を形成し、主要構成元素が43wt％≦Sb/(Sn+Sb)重量比＜53wt％の組成比率のSnSb合金にAg、Cuを１種以上でかつ合計が5〜25wt%の量を添加した組成の接合材料を用いた接合構造を発案した。
【００１２】
前記組成の合金を種々試作して固相と液相の温度を調べた結果、固相線温度はSn、Sbの組成比で決まり前記組成範囲では300℃以上であること、Ag、Cuを添加すると固相線温度は低下せず液相線温度のみ低下させることが可能で前記組成では400℃以下となることを見出し、本発明に至ったものである。
【００１３】
図９にはSn-Sbの２元合金の状態図を、図１０、１１、１２には種々の組成の合金における固相線温度、液相線温度の測定結果を示す。各図はSn-Sb-Ag-Cuの４元合金で特定の元素の比率が変わった時の固相線温度と液相線温度を示す。
【００１４】
図１０は、Sn-Sb-Ag-Cu系合金の固相・液相線温度特性のSb/(Sn＋Sb)パラメータ依存性を示すものであり、43wt％≦Sb/(Sn+Sb)の場合に、固相線温度が300℃以上となることが分かる。図１１はSn-Sb-Ag-Cu系半田の固相・液相線温度特性のAg濃度依存性を、図１２はSn-Sb-Ag-Cu系半田の固相・液相線温度特性のCu濃度依存性をそれぞれ示したものである。図１１、１２に示すように、AgやCuの添加により液相線温度は大きく低下しているが、固相線温度は300℃以上のままで変化が小さい。このため、固液共存温度領域は狭くなっている。
【００１５】
半田接合による組立では、作業温度や濡れ性で決まる作業性と接合欠陥の発生を防止できることが重要である。本発明で採用したSn-Sb系の半田は360℃〜400℃の加熱温度で半田接合可能で、従来のSn-Sbの２元系半田に比べて接合温度を大幅に低下でき、従来の鉛入り半田の設備とプロセスをそのまま使える利点がある。
【００１６】
また、酸化しやすい元素を含んでいないためNiやCuに対する濡れ性が優れ、フラックス等を用いなくても還元性雰囲気で濡れの良好な接合が可能となる。また、クリーンな環境でクリーンなまま接合できるため、洗浄その他の工程が不要となり作業性が優れている。
【００１７】
また、固相線と液相線の温度域が小さいため、凝固過程での組成の偏析が小さい。そのため、凝固時の体積収縮量が小さく引け巣的な欠陥が抑制され、かつフィレット表面の凹凸等が抑制されて、接合欠陥の少ない接合が可能となる。さらには、固相線温度が300℃以上と高温であり、部材の接合表面をNiめっきして半田／Ni界面とすることにより、250℃-1500hでの高温信頼性を確保できることが分かった。
【００１８】
接合組立後の冷却過程や温度サイクル試験における半導体素子の割れを防止し、素子への通電と遮断の繰り返しに伴う熱疲労寿命に優れた半導体装置に関する技術を提供する第２の目的を達成するために、半導体素子と両電極端子の間に応力緩衝材として熱膨張率が10ppm以下の薄板状低熱膨張部材を挿入し、その薄板状低熱膨張部材の外形寸法をリード電極端子側では半導体素子の電極面の外形寸法より小さく、ベース電極端子側では半導体素子の同外形寸法より大きい構造を発案した。
【００１９】
また接合材料を、主要構成元素が43wt％≦Sb/(Sn+Sb)重量比＜54wt％の組成比率のSnSb合金にAg、Cuを１種以上でかつ合計が5〜30wt%の量を添加した組成とした。半導体素子の上下に熱膨張率が10ppmを越える、例えば11.0ppmのCu/Fe-Ni合金/Cuの低熱膨張部材を配置し、前記接合材を使って半田接合したときに半導体素子に剥離割れが発生すること、低熱膨張材のFe-Ni合金の比率を高めて熱膨張率を10ppm以下に下げれば、半導体素子に割れを生じないことが分かった。
【００２０】
また、熱疲労試験を行って詳細な検討を加えた結果、リード電極側の薄板状低熱膨張部材の外形寸法を半導体素子の電極面の外形寸法より小さくし、さらにベース電極側の薄板状低熱膨張部材の外形寸法を半導体素子の電極面の外形寸法より大きくすると、熱疲労寿命が向上することも分かった。リード電極側の薄板状低熱膨張部材の外形寸法を半導体素子の電極面の外形寸法より小さくすると、半導体素子の外周側壁に発生する引張応力を低減でき、ベース電極側の薄板状低熱膨張部材の外形寸法を半導体素子の電極面の外形寸法より大きくすると素子からの放熱性が改善して寿命が向上することを解析により解明したのである。
【００２１】
さらに、このときの低熱膨張部材の弾性率や降伏強度を下げると半田の疲労寿命が伸びること、また低熱膨張部材の熱伝導率を上げることや半田接合厚さを下げることで放熱性が改善されて熱疲労寿命が伸びることも確認できた。
【発明の効果】
【００２２】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【００２３】
すなわち、本発明によれば、接合材料を43wt％≦Sb/(Sn+Sb)重量比＜53wt％の組成比率のSn-Sb合金にAg、Cuを１種以上かつ5〜30wt%の量を添加した合金とし、接合される各部材の接合面をNiメタライズ処理することにより、400℃以下のダイボンディング性と250℃までの高温信頼性を確保できる鉛を使用しない半導体装置を提供することができる。
【００２４】
また、半導体素子に直接に接合する薄板の部材を熱膨張率が10ppm以下の部材で構成し、ベース電極側の半導体素子に直接接合する薄板部材の外形寸法を半導体素子の電極面の外形寸法より大きい寸法とし、リード電極側の半導体素子に直接接合する薄板部材の外形寸法を半導体素子の電極面の外形寸法より小さい寸法とすることにより、接合組立後の冷却過程や温度サイクル時に発生する熱ストレスで半導体素子が割れるのを防止でき、併せて高強度のSnSbAgCu半田を採用したことと低熱膨張部材を半導体素子の上下に配置したこととにより半導体素子への通電と遮断の繰り返しに伴う熱疲労寿命を飛躍的に向上した半導体装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
【００２６】
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明に係わる半導体装置について説明する。図１は、本発明による半導体装置の実装構造の一実施例を示す断面図である。図２は、図１に示す半導体装置の接合部の構造をさらに詳細に示す断面図である。図１、２において、半導体装置Ａは、整流作用を有する半導体素子1の上下に薄板状の低熱膨張部材４ａ（４）、４ｂ（４）が配置され、その上にCu製のリード電極３、その下にCu製のベース電極２が配置されている。リード電極３、低熱膨張部材４ｂ、半導体素子１、低熱膨張部材４ａ、ベース電極２のそれぞれの間は、Sn-35Sb-11Ag-8Cu(wt%)の組成を有する半田材６、７、８、９を接合材として使用して接合されている。
【００２７】
半導体素子１の上下の半田材６、８の厚さの平均は20〜60μmとし、ベース電極２、リード電極３等の電極部材を接合している半田材７、９の厚さの平均は30〜100μmとしている。図２に示すように、ベース電極２、リード電極３等の電極部材と低熱膨張部材４ａ、４ｂの全面には、不純物のめっき膜中への混入が少ない無光沢の電気Niめっき１２、１３、１４、１５が2〜10μmの厚さで施されており、半導体素子の上下面には無電解Ni-Pめっき１１が0.5〜3μmの厚さで施されている。かかる構成では、接合部分の金属材料構成がNi／前記接合材／Niとなっている。
【００２８】
半導体素子１が納められた皿状のベース電極２の内部には、図１に示すように、リード電極３の一部を覆う高さまで樹脂１０を充填している。ここで用いた低熱膨張部材４ａ、４ｂは、図３に示す断面構造を持つCu/Fe-Ni合金/Cuの複合材で、熱膨張率αを6.0ppmに調整した材料である。低熱膨張材料２１としてのFe-Ni合金と、良導体材料２２としてのCuの積層構造を有している。かかる積層構造の周囲は、Niめっき２３で覆われている。
【００２９】
リード電極３と半導体素子１との間に介在させる上側の薄板状の低熱膨張部材４ｂの外形寸法は半導体素子１の電極面の外形寸法より小さく、半導体素子１とベース電極２との間に介在させる下側の薄板状の低熱膨張部材４ａの外形寸法は半導体素子１の電極面の外形寸法より大きくしている。接合組立方法は、各部品と半田ペレットを冶具で位置合わせして積層し、水素雰囲気中で380℃に加熱して半田接合している。加熱は380℃に2分間保持し、冷却速度20℃/分程度で室温まで冷却した。
【００３０】
かかる本実施例によれば、SnSbAgCu半田がNiに対して濡れ性が優れるため組立時の半田接合性に優れ、AnSbAgCu半田と無電解Niめっきあるいは無光沢の電気Niめっきの接合界面の化合物成長が250℃の高温環境下でも小さく、界面にカーケンダルボイドやクラックの発生がなく安定しているため、250℃までの高温信頼性に優れた鉛を使用しない半導体装置の部品を提供すことができる。
【００３１】
また、図１、２に示すように、半導体素子１の上下には熱膨張率6.0ppmの低熱膨張部材４ａ（４）、４ｂ（４）が、熱膨張率18ppmと比較的小く高強度のSnSbAgCu半田材６、８で接合されているため、半導体素子１に発生する熱応力が低減される。さらに、上下の低熱膨張部材４ａ（４）、４ｂ（４）の外形寸法を半導体素子１に対して大と小に違えているため、冷却時に半導体素子１に発生する引張の熱応力を分散させることができる。
【００３２】
そのため、それらの効果によって半導体素子１が温度サイクルやパワーサイクルが加わった時に熱ストレスによって割れるという問題を完全に回避することができる。同時にSnSbAgCu半田材６、８の強度が高いため熱歪が低熱膨張部材４ａ、４ｂや半導体素子１に分散され、かつ半田材６、８の高温クリープ歪が小さい材料であるため、温度サイクルやパワーサイクルなどで熱ストレスが加わった時の半田部の疲労寿命が飛躍的に改善される。
【００３３】
尚、本実施例に示す上記構成では、半導体素子１上には無電解Ni-Pめっき、低熱膨張部材４ａ、４ｂやベース電極２、リード電極３等の電極部材表面には無光沢の電気Niめっきを施したが、全て無電解Ni-Pめっきとしてもよい。無電解Ni-Pめっきの方が、半田との界面に形成される化合物の成長が遅く、電気Niめっきに比べて高温信頼性が高くなる。
【００３４】
（実施の形態２）
上記実施の形態では、低熱膨張部材４として、低熱膨張材料２１の上下面を良導体材料２２で挟み、その全周をNiめっき２３で覆う構成を示したが、かかる構成以外の構成でも構わない。
【００３５】
例えば、図４は、本発明による半導体装置Ａに用いる低熱膨張部材４（４ａ、４ｂ）の一実施例を示すもので、（ａ）は（ｂ）に示すＢ−Ｂ線での平断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す低熱膨張部材４のＡ−Ａ線での断面図である。図４の低熱膨張部材４において、中央の部材は熱膨張率が高く熱や電気を良く通す良導体材料２２であるCuあるいはCu合金で、周囲の部材は熱や電気の伝導率が低いFe-Ni合金などの低熱膨張材料２１で構成されている。良導体材料２２と低熱膨張材料２１の間は、熱間圧延による圧接法や摩擦攪拌接合法により強固に金属接合されている。低熱膨張部材４の周囲全体は、Niめっき２３で覆われている。
【００３６】
本実施例のかかる構成によれば、水平方向の熱膨張率は外周に配置された低熱膨張材料２３で良導体材料２２の膨張や収縮が抑制されて部材として低熱膨張の挙動を示すため、半導体素子１を半田接合した場合に発生する熱歪を低減して半導体素子１の機械的破壊や半田部の熱疲労寿命の改善が図れる。
【００３７】
また同時に、良導体材料２２が板厚方向に配置されているため半導体素子１で発生した熱を効率よくベース電極２に伝えて半導体素子１の温度上昇を抑制することができ、そのため半導体素子１自身で発生する損失を低減することができる。
【００３８】
また低熱膨張部材４中には、良導体材料２２からなる電気の良導体が通電方向に貫通して配置されているため、低熱膨張部材４としての電気抵抗が小さく抑えられ、低熱膨張部材４から発生する熱を抑制できてエネルギー損失を低減し、それらの結果として半導体装置Ａの効率を向上することができる。また半導体素子１の温度上昇を抑制できるため、熱疲労寿命もさらに改善することができる。
【００３９】
（実施の形態３）
本実施の形態では、前記実施の形態で説明した低熱膨張部材４の変形例の構成について述べる。図５は、本発明による半導体装置Ａに用いる低熱膨張部材４の一実施例を示すもので、（ａ）は（ｂ）に示すＤ−Ｄ線での平断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す低熱膨張部材４のＣ−Ｃ線での断面図である。図５において、内部に配置された複数の部材は熱膨張率が高く熱や電気の良導体材料２２としてのCuあるいはCu合金で、周囲の部材は熱や電気の伝導率が低いFe-Ni合金などの低熱膨張材料２１で構成されている。良導体材料２２と低熱膨張材料２１の間は強固に金属接合されている。低熱膨張部材４の周囲全体は、Niめっき２３で覆われている。
【００４０】
本実施例によれば、図４と同様の効果が得られる他に、熱膨張率の大きい良導体材料２２を小さいサイズで分散して配置したため、サイズの大きな良導体材料２２一つを配置する図４に示す構成の場合とは異なり、熱膨張差で発生する良導体材料２２の歪量がサイズに比例して小さくなり、局所的な熱応力の最大値を下げることができ、半導体素子１の割れや半田部の熱疲労寿命をさらに向上することができる。
【００４１】
図６は、本発明による半導体装置Ａに用いる低熱膨張部材４の他の変形例を示す断面図である。図６において、CuまたはCu合金から成る良導体材料２２の良導体マトリックス２２ａの中に、熱や電気の伝導に劣る低熱膨張材料２１が細かく分散配置されている。低熱膨張材料２１と良導体材料２２の界面は緩やかな結合、言い換えれば密着しているが強度的には弱い状態で接合されている。低熱膨張部材４全面は、Niめっき２３で覆われている。
【００４２】
本実施例の図６に示す構成によれば、図４と同様の効果が得られる他に、半田と低熱膨張部材４との間で発生する熱歪が、低熱膨張材料２１が良導体マトリックス２２ａの中に分散された構成の低熱膨張部材４側の変形によっても一部緩和されるために、半田部の熱疲労寿命が大幅に改善されて、半導体装置Ａの熱疲労信頼性が飛躍的に改善されるのである。
【００４３】
（実施の形態４）
前記実施の形態で説明した低熱膨張部材４は、薄板状に形成され、半導体素子１とベース電極２、リード電極３等の電極部材との間に配置することを前提とするため、良導体材料２２を設けることにより半導体素子１と電極部材との導通を確保する構成を有していた。
【００４４】
本実施の形態の低熱膨張部材４は、半導体素子１と電極部材との間に配置するものではなく、半導体素子１と半田により接合された電極部材の周囲に配置することにより熱応力の緩和を行うことを前提とした構成である。
【００４５】
図７は本発明による半導体装置Ａに用いる低熱膨張部材４の一実施例を示すもので、（ａ）は（ｂ）に示すＦ−Ｆ線での平断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す低熱膨張部材４のＥ−Ｅ線での断面図である。図７に示す低熱膨張部材５は、リングに形成された低熱膨張材料２１の表面にNiめっき２３が施された構成を有している。
【００４６】
図８は、図７の低熱膨張部材５を適用した半導体装置Ａの実装構造の一実施例を示す断面図である。図８において、半導体素子１の下には図５で示した低熱膨張部材４が配置され、さらにその下にベース電極２が配置されている。半導体素子１の上には図７と同じリング状の低熱膨張部材５が配置され、その内側にリード電極３が配置されている。
【００４７】
ベース電極２と低熱膨張部材４間、低熱膨張部材４と半導体素子１間、半導体素子１とリング状の低熱膨張部材５及びリード電極３間はSn45Sb9Ag5Cu(wt%)の半田材６ａ、７ａ、８ａを接合材として用いて接合されている。各部材の接合面は、全ての面に無電解のNi-Pめっきが施されている。
【００４８】
本実施例によると、半導体素子１の下側は図１に示す構成において説明したと同様の理由によって半導体素子１や半田部に発生する熱応力の低減が図れ、半導体素子１の上側は、Cuのリード電極３が直接に半田接合されているが同時にリング状の低熱膨張部材５とも半田接合されているため、リード電極３の熱歪がリング状の低熱膨張部材５で拘束されて半導体素子１に過大な応力が発生することを防ぎ、それらの効果によって半導体素子１が破損することを防止することができる。
【００４９】
図８に示す構成では、リード電極３と半導体素子１が直接に半田接合されているため、電気抵抗や熱抵抗の上昇を抑えることができ、電力損失や熱疲労寿命の改善が図れるという効果もある。さらに、低熱膨張部材５が、半導体素子１とリード電極３との間に介在される構成ではないため、半導体装置Ａの接合構造を低く抑えて、半導体装置Ａの全体構成を薄くすることができる。
【００５０】
（実施の形態５）
本実施の形態では、電極部材を低熱膨張材料で形成することで、電極部材に熱歪みを緩和する機能を発揮させようとする構成である。図１３は、本発明による半導体装置Ａの実装構造の一実施例を示す断面図である。
【００５１】
無電解Ni-Pめっきを上下の電極面に施した半導体素子１が無光沢電気Niを全面に施されたベース電極５２とリード電極５３の間に配置され、それらの間がSn-35Sb-10Ag-8Cu合金の半田材５４、５５を接合材として使用して接合されている。かかる接合構造が納められた皿状のベース電極５２の内部には、リード電極５３の一部を覆う高さまで樹脂５６が充填されている。ここでベース電極５２とリード電極５３はFe-Ni合金の粒子とCuの粒子が圧着されて形成された低熱膨張材で構成されている。両電極部材のFe-Ni合金とCuの体積比率は３：２で配合しており、熱膨張率が7ppmに調整された材料である。
【００５２】
本実施例によれば、電極部材を低熱膨張材で構成したため半導体素子１の熱応力による破損を防止できるとともに、SnSbAgCu系の高降伏強度の接合材を用いたため半田部の疲労寿命を大幅に改善できて熱疲労寿命の長い半導体装置Ａを実現することができる。かかる構成では、構成部品点数を半導体素子１、ベース電極５２、リード電極５３と最小の３個に削減することができるため、接合箇所が最少となって組立歩留まりの向上を図れるという効果がある。
【００５３】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【００５４】
例えば、上記実施の形態では、低熱膨張部材を平面円形に形成した場合を例に挙げて説明したが、かかる円形形状に限定する必要はなく、使用する半導体素子の形状に合わせて矩形等の適宜形状を採用すればよい。
【００５５】
リングに形成した低熱膨張部材の説明では、リングを円環に形成した場合を例示したが、かかる円環に限定する必要はなく、例えば、角形のリング等に適宜変形しても構わない。
【００５６】
低熱膨張部材の大きさは、半導体素子とベース電極との間に介在させる場合は、前記実施の形態の説明では半導体素子より大きい形状とする場合を好適例として示したが、半導体素子より小形でなければ、熱応力緩和効果は劣るものの同形サイズの場合である程度の効果は期待できることが確認されている。
【００５７】
低熱膨張部材の大きさは、半導体素子とリード電極との間に介在させる場合は、前記実施の形態の説明ではリード電極面より大きい形状とする場合を好適例として示したが、リード電極面より小形でなければ、熱応力緩和効果は劣るものの同形サイズの場合でもある程度の効果は期待できることが確認されている。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は、半導体装置の鉛不使用化、熱疲労寿命向上、耐熱性向上を図った接合構造を持つ高耐熱半導体装置の分野に有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明による半導体装置の実装構造の一実施例を示す断面図である。
【図２】図１に示す半導体装置の接合部の構造を詳細に示す部分断面図である。
【図３】本発明による半導体装置に用いる低熱膨張部材の一実施例の構成を示す断面図である。
【図４】本発明による半導体装置に用いる低熱膨張部材の一実施例を示すもので、（ａ）は（ｂ）に示すＢ−Ｂ線での平断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す低熱膨張部材のＡ−Ａ線での断面図である。
【図５】本発明による半導体装置に用いる低熱膨張部材の一実施例を示すもので、（ａ）は（ｂ）に示すＤ−Ｄ線での平断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す低熱膨張部材のＣ−Ｃ線での断面図である。
【図６】本発明による半導体装置に用いる低熱膨張部材の変形例を示す断面図である。
【図７】本発明による半導体装置に用いる低熱膨張部材の一実施例を示すもので、（ａ）は（ｂ）に示すＦ−Ｆ線での平断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す低熱膨張部材のＥ−Ｅ線での断面図である。
【図８】図７の低熱膨張部材を適用した半導体装置の実装構造の一実施例を示す断面図である。
【図９】Sn-Sbの２元合金の状態図である。
【図１０】Sn-Sb-Ag-Cu系合金の固相・液相線温度特性のSb/(Sn＋Sb）パラメータ依存性を示すグラフ図である。
【図１１】Sn-Sb-Ag-Cu系半田の固相・液相線温度特性のAg濃度依存性を示すグラフ図である。
【図１２】Sn-Sb-Ag-Cu系半田の固相・液相線温度特性のCu濃度依存性を示すグラフ図である。
【図１３】低熱膨張材で形成した電極部材を用いた本発明による半導体装置の実装構造の一実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６０】
１：半導体素子、２：ベース電極、３：リード電極、４ａ、４ｂ、４、５：低熱膨張部材、６、６ａ、７、７ａ、８、８ａ、９：半田材、１０：樹脂、１１：無電解Ni-Pめっき、１２、１３、１４、１５：電気Niめっき、２１：低熱膨張材料、２２：良導体材料、２２ａ：良導体マトリックス、２３：Niめっき、低熱膨張材料、５２：ベース電極、５３：リード電極、５４、５５：半田材、５６：樹脂、Ａ：半導体装置。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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