(57)【要約】【課題】半導体チップへの応力集中を回避し、半導体チップの寿命を伸ばす。【解決手段】圧接型半導体装置は、第１の主面及び第１の主面に対向する第２の主面を備える半導体チップ１と、この第１の主面に接合された、半導体チップ１とは異なる線膨張係数の材質からなる電極７と、第２の主面に接触した表面を備え、半導体チップ１の反りと同じ方向に反りを有する導電性板状部材５とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の主面及び前記第１の主面に対向する第２の主面を備える半導体チップと、
前記第１の主面に接合された、前記半導体チップとは異なる線膨張係数の材質からなる電極と、
前記第２の主面に接触した表面を備え、前記半導体チップの反りと同じ方向に反りを有する導電性板状部材
とを備えることを特徴とする圧接型半導体装置。
【請求項２】
前記導電性板状部材は、
前記表面を含む第１の層と、
第１の層に接合された、前記第１の層と線膨張係数の異なる第２の層とを備え、
前記電極と前記半導体チップとの線膨張係数の高低関係は、前記第１の層と前記第２の層との線膨張係数の高低関係と等しいことを特徴とする請求項１記載の圧接型半導体装置。
【請求項３】
前記第２の層の線膨張係数は前記第１の層よりも低いことを特徴とする請求項２記載の圧接型半導体装置。
【請求項４】
前記第１の層の線膨張係数は、前記半導体チップと実質的に同じであることを特徴とする請求項１記載の圧接型半導体装置。
【請求項５】
前記第１の層はモリブデン又はタングステンからなり、前記第２の層はタングステン又はインバーからなることを特徴とする請求項２記載の圧接型半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧接型半導体装置に関し、半導体チップの表裏面を２つの電極板で圧接する圧接型半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力用スイッチングデバイスとしてＩＧＢＴ等の半導体素子がモータＰＷＭ制御インバータの応用等に幅広く用いられている。しかし、ワイヤボンディングで半導体素子との電気的接続を取った場合、半導体素子から生じる熱を十分に放出できない。
【０００３】
そこで、従来から、２枚の電極板を用いて半導体チップの表裏面を押圧して実装するパッケージ方法が用いられている（例えば特許文献１参照）。例えば、第１の電極板（コレクタ）上にシリコンからなる半導体チップを半田付けすると共に、半導体チップ上に例えばモリブデン等の半導体素子と線膨張係数の近い導電性板状部材（コンタクト端子体）を載置し、コンタクト端子体を第２の電極板（エミッタ）で押圧する。これにより、半導体チップと２つの電極板とを圧接して、電気的及び熱的な接続が実現されている。
【特許文献１】特開平０７−０９４６７４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、電極板における電気抵抗を極力低減するために、通常、電極板としてシリコンよりも線膨張係数の大きい銅(Ｃｕ)を用いる。よって、半導体チップと電極板が同じ温度であっても電極板の方がより大きく膨張する。半導体チップと第１の電極板は半田付けされているため、高温時には、図４に示すように、半導体チップ３１と第１の電極板３７が第２の電極板の方へ向って凹状に湾曲してしまう。よって、コンタクト端子体３５の外周端部のみが半導体チップ３１と接触する状態となり、半導体チップ３１の外周端部へ応力が集中し、半導体チップ３１の寿命を低下させてしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の特徴は、第１の主面及び第１の主面に対向する第２の主面を備える半導体チップと、この第１の主面に接合された電極と、第２の主面に接触した表面を備える導電性板状部材とを備える圧接型半導体装置であって、電極は半導体チップとは異なる線膨張係数の材質からなり、導電性板状部材は半導体チップの反りと同じ方向に反りを有することである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、半導体チップの反りと同じ方向に反りを有することにより、半導体チップへの応力集中を回避し、半導体チップの寿命を伸ばすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似の部分には同一あるいは類似な符号を付している。
【０００８】
図１を参照して、本発明の実施の形態に係わる圧接型半導体装置の構成を説明する。圧接型半導体装置は、第１の主面及び第１の主面に対向する第２の主面を備える第１の半導体チップ１（半導体チップ）と、第１の半導体チップ１の第１の主面に接合された第１の電極板７（電極）と、第１の半導体チップ１の第２の主面に接触した表面を備える第１のコンタクト端子５（導電性板状部材）と、第１のコンタクト端子５の表面に対向する裏面に接触する第１の突起部８ａと、第１の突起部８ａに接触する第２の電極板８と、第１の電極板７と第２の電極板８の間を接続して固定する絶縁性外囲体１１とを備える。
【０００９】
第１のコンタクト端子５は、第１の半導体チップ１の反りと同じ方向に反りを有する。ここで、「第１の半導体チップ１の反りと同じ方向に反りを有する」とは、常温において平坦であるが、温度の変化により第１の半導体チップ１に生じる反りと同じ方向に反りが生じる場合と、一定温度において第１の半導体チップ１が有する反りと同じ方向に反りを有する場合とが含まれる。
【００１０】
なお、圧接型半導体装置は、第１の電極板７と第２の電極板８の間に、第２の半導体チップ２と、第２の半導体チップ２の第２の主面に接触した表面を備える第２のコンタクト端子６と、第２のコンタクト端子６の表面に対向する裏面に接触する第２の突起部８ｂとを更に備える。これらの構成要素は、第１の半導体チップ１、第１のコンタクト端子５、第１の突起部８ａと同様であり、説明を省略する。
【００１１】
第１の電極板７は、第１の半田３を介して第１の半導体チップ１に接合されている。また、第１の電極板７は、第１の半導体チップ１とは異なる線膨張係数の材質からなる。具体的には、第１の半導体チップ１がシリコン（Ｓｉ）が形成されているのに対して、第１の電極板７はＳｉよりも熱膨張係数の高い銅（Ｃｕ）からなることが一般的である。したがって、第１の電極板７と第１の半導体チップ１の温度が同様に上昇した場合、第１の電極板７の方が、第１の半導体チップ１よりも大きく膨張する。よって、図２に示すように、第１の半導体チップ１及び第１の電極板７は、第１のコンタクト端子５に向って凹状に湾曲する。例えば、常温時には湾曲の無い平坦な面を成していても、第１の半導体チップ１が発熱している時や、圧接型半導体装置全体が高温雰囲気に晒されている時等に、第１の電極板７と第１の半導体チップ１の線膨張係数の違いからこのような凹状の反りが生じる。
【００１２】
これに対して、第１のコンタクト端子５は、第１の半導体チップ１に接触した表面を含む第１の層５ａと、第１の層５ａに接合された第２の層５ｂとを備える。第１の突起部８ａに接触する第１のコンタクト端子５の裏面は第２の層５ｂに含まれる。第１の層５ａと第２の層５ｂとは材質の線膨張係数が異なる。具体的には、第２の層５ｂの線膨張係数は第１の層５ａよりも小さい。よって、常温時には湾曲の無い平坦な面を成していても、第１の半導体チップ１が発熱している時や、圧接型半導体装置全体が高温雰囲気に晒されている時等に、第１の層５ａと第２の層５ｂの線膨張係数の違いから、第１の突起部８ａに向って凹状の反りが生じる。したがって、図２に示すように、第１のコンタクト端子５は、第１の電極板７及び第１の半導体チップ１の反りと同じ方向に反りを有することになる。
【００１３】
このように、第１の電極板７及び第１の半導体チップ１との線膨張係数の高低関係を第１の層５ａと第２の層５ｂとの線膨張係数の高低関係と等しくする。これにより、第１のコンタクト端子５は、常温において平坦であるが、温度の変化により第１の半導体チップ１に生じる反りと同じ方向に反りが生じる。したがって、図２に示すように、高温時においても、第１のコンタクト端子５の外周端部のみが第１の半導体チップ１と接触することなく、第１のコンタクト端子５と第１の半導体チップ１との接触面の面積は広がり、第１の半導体チップ１への応力が分散され、第１の半導体チップ１への傷やダメージを軽減して寿命を伸ばすことができる。
【００１４】
第１の層５ａの線膨張係数は、第１の半導体チップ１と実質的に同じであることが望ましい。例えば、第１の層５ａは、シリコンと線膨張係数が近いモリブデンからなることが望ましい。この場合、図２に示すような反りが生じた場合、第１の半導体チップ１と第１の層５ａとの間に働くせん断応力を小さくすることができ、第１の半導体チップ１へのダメージを軽減することができる。なお、この場合、第２の層５ｂの材質は、モリブデンよりも線膨張係数の低いタングステン等からなる。圧接型半導体装置で使用する主な材料の線膨張係数[ppm/K]は以下のとおりである。なお、「インバー」は３５．５％のニッケルを含む鉄の合金である。
【００１５】
シリコン          ４
モリブデン        ５．１
タングステン      ４．４
インバー          １．５
銅              １６．５
また、第１のコンタクト端子５の第１の層５ａと第２の層５ｂの材料の組み合わせの例は以下のとおりである。なお、第１の層５ａと第２の層５ｂは、高温半田やろう材による接合により形成することができる。
【００１６】
第１の層        第２の層
モリブデン      タングステン
モリブデン      インバー
タングステン    インバー
第１の半導体チップ１は、例えば、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）やパワーＭＯＳＦＥＴ等のパワースイッチング素子やダイオードなどの整流素子などの電力用半導体素子が形成されている。実施の形態では、第１の半導体チップ１にＩＧＢＴが形成され、第２の半導体チップ２にダイオードが形成されている。第１の半導体チップ１の第１の主面にはコレクタ電極が形成され、第２の主面にはエミッタ電極及びゲート電極が並んで形成されている。コレクタ電極及びエミッタ電極は第１及び第２の電極板７、８に圧接されることにより電気的な接続が形成されている。ゲート電極には線幅数百μｍ程度のアルミ導線からなるゲートワイヤ９が接続されて、絶縁性外囲体１１の間から導出される。
【００１７】
第１の半導体チップ１の主材料は、例えばシリコン（Ｓｉ）からなる。第１の電極板７、第２の電極板８、第１の突起部８ａの材質は、電気抵抗を低減し、熱伝導性を高めるため、第１の半導体チップ１の材質（Ｓｉ）よりも線膨張係数が高い銅（Ｃｕ）からなる。第１の突起部８ａは電極としての役割の他に、第１及び第２の半導体チップ１、２や第１及び第２のコンタクト端子５、６の高さの違いを吸収し、チップに加わる圧力を均一なものにする役割を有する。なお、第１及び第２の突起部８ａ、８ｂは、第２の電極板８とは別の構成要素として記載したが、一体となっていても構わない。
【００１８】
なお、第１のコンタクト端子５は、各種工法により製造できる。例えば、第１の層５ａの平板及び第２の層５ｂの平板を冷間圧延や熱間圧延により接合し、１つのクラッド基板を作製する。その後、打ち抜きによって、必要なコンタクト端子形状を得る。また、別な製造方法としては、第１の層５ａの平板及び第２の層５ｂの平板から必要な形状で打ち抜き、その後、これらに対して半田や銀ろうなどによるろう付けを実施したり、冷間圧延や熱間圧延により接合する方法もある。
【００１９】
＜変形例＞
一方、第１の電極板７と第１の半導体チップ１の温度が同様に下降した場合、第１の電極板７の方が、第１の半導体チップ１よりも大きく縮小する。よって、図３に示すように、第１の半導体チップ１及び第１の電極板７は、第１のコンタクト端子５に向って凸状に湾曲する。例えば、高温半田によって第１の電極板７と第１の半導体チップ１を接合した場合、高温状態で接合されているため、接合時には湾曲の無い平坦な面を形成している。しかし、温度が降温して常温に戻った時に第１の半導体チップ１に生じる湾曲が無視できない状態になる場合がある。
【００２０】
これに対して、第１のコンタクト端子５は、第２の層５ｂの線膨張係数を第１の層５ａよりも小さくする。そして、第１の電極板７及び第１の半導体チップ１と同様に、高温半田により第１の層５ａと第２の層５ｂとを接合する。これにより、高温時には湾曲の無い平坦な面を成していても、常温時には、第１の層５ａと第２の層５ｂの線膨張係数の違いから、第１の突起部８ａに向って凸状の反りが生じる。したがって、図３に示すように、第１のコンタクト端子５は、一定温度において第１の電極板７及び第１の半導体チップ１の反りと同じ方向に反りを有することになる。
【００２１】
このように、第１の電極板７及び第１の半導体チップ１との線膨張係数の高低関係を第１の層５ａと第２の層５ｂとの線膨張係数の高低関係と等しくする。これにより、第１のコンタクト端子５は、接合時において平坦であるが、その後の温度の変化により第１の半導体チップ１に生じる反りと同じ方向に反りが生じる。したがって、図３に示すように、常温時においても、第１のコンタクト端子５の中央部のみが第１の半導体チップ１と接触することなく、第１のコンタクト端子５と第１の半導体チップ１との接触面の面積は広がり、第１の半導体チップ１への応力が分散され、第１の半導体チップ１への傷やダメージを軽減して寿命を伸ばすことができる。
【００２２】
以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、第１のコンタクト端子５は、第１の半導体チップ１の反りと同じ方向に反りを有することにより、第１の半導体チップ１の第２の主面の外周端部や中央部への応力の集中を回避でき、傷・ダメージを低減できる。また、圧接型半導体装置の使用可能な温度範囲の全体にわたって、第１のコンタクト端子５に形成される反りが第１の半導体チップ１に形成される反りに追従していくため、使用温度にかかわらず、第１の半導体チップ１へ加わる応力を均一に保ち、良好な熱的及び電気的接続を維持することができる。
【００２３】
第１の電極板７と第１の半導体チップ１との線膨張係数の高低関係を、第１の層５ａと第２の層５ｂとの線膨張係数の高低関係と等しくすることにより、第１のコンタクト端子５を、第１の半導体チップ１の反りと同じ方向に反らせることができる。
【００２４】
第２の層５ｂの線膨張係数を第１の層５ａよりも低くすることにより、第１の層５ａと第２の層５ｂとの線膨張係数の高低関係を、第１の電極板７（Ｃｕ）と第１の半導体チップ１（Ｓｉ）との線膨張係数の高低関係と等しくすることができる。
【００２５】
第１の層５ａの線膨張係数を第１の半導体チップ１と実質的に同じとすることにより、反りが生じた場合に第１の半導体チップ１と第１の層５ａとの間に働くせん断応力を小さくすることができ、第１の半導体チップ１へのダメージを軽減することができる。
【００２６】
第１の層５ａはモリブデン又はタングステンからなり、第２の層５ｂはタングステン又はインバーからなる。これにより、第１の電極板７と第１の半導体チップ１との線膨張係数の高低関係を、第１の層５ａと第２の層５ｂとの線膨張係数の高低関係と等しくすることができる。これと同時に、第１の層５ａの線膨張係数を第１の半導体チップ１と実質的に同じとすることができる。
【００２７】
上記のように、本発明は、１つの実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施の形態に係わる圧接型半導体装置を示す断面図である。
【図２】高温時における第１の電極板、第１の半導体チップ及び第１のコンタクト端子の反り（凹状湾曲）の様子を示す断面図である。
【図３】高温半田付けを行った結果、常温時における第１の電極板、第１の半導体チップ及び第１のコンタクト端子５の反り（凸状湾曲）の様子を示す断面図である。
【図４】コンタクト端子の外周端部のみが半導体チップと接触する状態となり、半導体チップへの応力が集中している様子を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１…第１の半導体チップ
２…第２の半導体チップ
３…第１の半田
５…第１のコンタクト端子（導電性板状部材）
５ａ…第１の層
５ｂ…第２の層
６…第２のコンタクト端子
７…第１の電極板（電極）
８…第２の電極板
８ａ…第１の突起部
８ｂ…第２の突起部
９…ゲートワイヤ
１１…絶縁性外囲体
３１…半導体チップ
３５…コンタクト端子体
３７…第１の電極板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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