(57)【要約】【課題】  半導体素子と金属板との接合部にクラックが発生するのを抑え、半導体素子の破壊を防止する。【解決手段】  金属板１０が、本体をなす第１の金属１１（純アルミニウム）とこれに埋め込まれた第２の金属１２（純銅）からなり、実装面に第１の金属から形成された第１領域Ｒ１と第２の金属で形成された第２領域Ｒ２を備える。半導体素子２０はそのコーナー部Ｋを第２領域Ｒ２に直接接合して金属板に取り付ける。第２の金属は第１の金属よりも破断までの変形量が大きいので、熱応力による歪を吸収し、熱応力の集中するコーナー周辺のクラックの発生や半導体素子の破壊が防止されて信頼性が向上する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属板上に半導体素子を取り付けた半導体装置において、
前記金属板は、本体をなす第１領域と、前記半導体素子を取り付ける実装面に臨んだ第２領域とからなり、
前記第２領域は前記第１領域を形成する第１の金属よりも応力変形特性における変形量の大きい第２の金属で形成され、
前記第２領域は少なくとも前記半導体素子のコーナー部をカバーする位置に配されて、
前記半導体素子のコーナー部が前記第２領域に接合されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記応力変形特性における変形量が、弾性変形および塑性変形を含む破断までの変形量であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第２の金属が超塑性金属であることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記応力変形特性における変形量が、弾性域内の変形量であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第２の金属が超弾性合金であることを特徴とする請求項４記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第２領域は、第１の金属の前記実装面となる上面の所定位置に凹部を形成し、該凹部に第２の金属を埋め込んで形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記第２の金属は前記凹部の内壁とろう材を用いた加熱接合により接合されていることを特徴とする請求項６記載の半導体装置。
【請求項８】
前記第２の金属は前記凹部の内壁と金属微粒子を含むペースト剤を用いた加熱接合により接合されていることを特徴とする請求項６記載の半導体装置。
【請求項９】
前記第２の金属はその外周側面に凹凸を有して、前記凹部の内壁に噛み込ませて固定されていることを特徴とする請求項６記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記第２領域は、第１の金属の前記実装面となる上面の所定位置に合金成分を拡散させて形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１に記載の半導体装置。
【請求項１１】
半導体装置用の金属板であって、本体をなす第１領域と、半導体素子を取り付けるための実装面に臨んだ第２領域とからなり、
該第２領域は前記第１領域を形成する第１の金属よりも応力変形特性における変形量の大きい第２の金属で形成され、
前記第２領域に前記半導体素子を接合可能としたことを特徴とする半導体装置用の金属板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に半導体素子を取り付けた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体装置として、基板上の回路パターン導体にはんだ付けで半導体素子を取り付けたものがある。この構成になる半導体装置では、はんだ付け時およびその後の使用時における温度変化によって半導体素子に生じ得る熱応力をはんだの歪によって吸収できる。
しかし、はんだ接合部の熱抵抗が大きいだけでなく、温度変化の繰り返しによるはんだの劣化が生じ、歪が大きいほど疲労寿命が短くなってクラックが発生するという問題がある。クラックが発生すると、電気抵抗および熱抵抗が急激に増大することになる。
この対策として、例えば特開２００４−１４５９９号公報には、超音波接合による直接接合でチップ（半導体素子）を回路パターン導体に取り付ける構成が提案されている。
これによれば、はんだの劣化によるクラック発生の現象はなくなる。
【特許文献１】特開２００４−１４５９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、特開２００４−１４５９９号公報のものでは、熱応力をはんだの歪によって吸収するという応力緩和の利点が失われるので、残留応力が蓄積されることになる。
このため、回路パターン導体に応力緩和溝を形成するなどの対策を施したり、あるいは回路パターン導体の接合部を焼鈍処理して、残留応力の緩和を図ることが必要になるが、これらによっても、半導体素子と回路パターン導体の熱膨張係数の相違によって接合部に熱応力による歪が蓄積していくのを阻止することは困難である。
この問題は、半導体素子を回路パターン導体に接合する場合だけでなく、リードフレームと接合する場合にも同様に生じる。
【０００４】
そこで、さらに他の対策として、耐熱性を向上させるため、はんだの代りに高融点の接合材を用いたろう付けなども考えられるが、一般に耐熱性の高い接合材は相対的に高強度のものが多いので、接合材よりも半導体素子自体のほうにクラックが発生することになる。例として、融点７８０℃のＡｇＣｕろう材によりＣｕ材の導体にろう付けした場合に、ろう付け後の冷却時に半導体素子側にクラックが発生しており、大きな熱応力が半導体素子に作用することがわかる。
したがって本発明は、上記の問題点に鑑み、半導体素子と回路パターン導体など金属板との接合部にクラックが発生するのを抑え、半導体素子の破壊が防止される接合信頼性の高い半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
このため、本発明は、金属板上に半導体素子を取り付けた半導体装置において、上記金属板は、本体をなす第１領域と、半導体素子を取り付ける実装面に臨んだ第２領域とからなり、第２領域は第１領域を形成する第１の金属よりも応力変形特性における変形量の大きい第２の金属で形成され、第２領域は少なくとも半導体素子のコーナー部をカバーする位置に配されて、半導体素子のコーナー部が第２領域に接合されているものとした。
【発明の効果】
【０００６】
半導体素子のコーナー部を変形量の大きい第２領域に接合することにより、熱応力がコーナー部まわりに集中しても、第２領域がよく伸びて熱応力による歪を吸収するから、半導体素子の破壊が防止されて信頼性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施の形態について実施例により詳細に説明する。
図１は、第１の実施例の構成を示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。
基板側の金属板１０上に半導体素子２０を取り付ける構造において、金属板１０の取付け側の面である実装面（（ｂ）において上面）が２種の金属領域からなっている。なお、金属板１０は例えばリードフレームや、絶縁基板上に形成された回路パターン導体、その他の形態をとるが、図には基板等の表示を省略している。
【０００８】
金属板１０は、それぞれ実装面に臨んで第１領域Ｒ１を形成する第１の金属１１と第２領域Ｒ２を形成する第２の金属１２とからなり、複数の第２領域Ｒ２が第１領域Ｒ１に囲まれて島状に配置されている。
すなわち、第１の金属１１の上面に凹部１５を形成し、この凹部１５に第２の金属１２を埋め込んである。具体的には、第２の金属１２の外周側面と凹部１５の内壁との間に高融点のろう材１３を配して加熱接合する、いわゆるろう付けにより、第１の金属１１と第２の金属１２が結合されている。
【０００９】
なお、第１の金属１１と第２の金属１２の接合には、ろう材１３の代わりに銀ナノペーストなど金属微粒子を含むペースト剤も用いることができる。
また、第１の金属１１の凹部１５の断面形状は段差を持たせてもよく、第２の金属１２も凹部１５の形状に対応する段差を持たせればよい。さらには凹部１５は貫通穴であってもよく、要は第２の金属１２の形状を凹部１５の形状に合わせる。
第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とは実装面において同一平面を形成し、平滑に連なっている。
【００１０】
第１の金属１１と第２の金属１２とは材料の応力変形特性が異なる。
ここでは、応力変形特性のうちとくに破断までの変形量で表される延性が異なるものとして、第１領域Ｒ１を形成する第１の金属１１は純アルミウム（ＡＬ）とし、第２領域Ｒ２を形成する第２の金属１２は純ＡＬより延性の大きい純銅（Ｃｕ）としてある。
図２はＡＬとＣｕの応力歪線図であるが、Ｃｕの弾性域から塑性域を経て破断に至るまでの歪量はＡＬよりもＺ１だけ大きいことを示している。図中、×は破断点である。
【００１１】
半導体素子２０は例えば平面形状を矩形としており、金属板１０の第２領域Ｒ２は裏面を実装面に当接させた半導体素子２０の各角に対応して、角を含む所定範囲のコーナー部Ｋをカバーしている。
半導体素子２０は例えばＳｉ、ＧａＡｓ、ＳｉＣなどを基体材料として構成され、裏面は図示省略の金属電極膜となっている。
そして、半導体素子２０の裏面におけるコーナー部Ｋが、第２領域Ｒ２において超音波接合により直接金属板１０に接合されている。
半導体素子２０のコーナー部Ｋを除く裏面は、同時に第１領域Ｒ１に接合することができるが、半導体素子２０の金属板１０への取り付けはコーナー部Ｋにおいてのみとすることもできる。
【００１２】
以上の構成によれば、半導体素子２０のコーナー部Ｋが接合される第２領域Ｒ２が延性（すなわち破断までの変形量）の大きい第２の金属１２であるため、熱応力による歪をよく吸収する。
すなわち、接合後の冷却によって発生する残留応力や使用中の繰返し熱応力は半導体素子２０のコーナー部Ｋにおいてとくに集中し大きくなるが、この部分の第２領域Ｒ２が金属板１０の本体をなす第１領域Ｒ１のＡＬよりも延性の大きいＣｕであるため、コーナー部Ｋの応力集中が大きくなってもＣｕの塑性変形によって吸収緩和されるから、第２領域Ｒ２にクラックが発生することなく、また半導体素子２０の破壊も生じない。
【００１３】
本実施例は以上のように構成され、半導体素子２０を取り付ける金属板１０の実装面に本体をなす第１領域Ｒ１に加えて第２領域Ｒ２を備え、第２領域Ｒ２は第１領域Ｒ１を形成する第１の金属１１（ＡＬ）よりも延性の大きい第２の金属１２（Ｃｕ）で形成されているものとし、この第２領域Ｒ２に半導体素子２０のコーナー部Ｋを接合したので、コーナー部Ｋを直接接合しても、延性の大きいＣｕがよく伸びて熱応力による歪を吸収するから、熱応力の集中するコーナー周辺のクラックの発生や半導体素子の破壊が防止されて信頼性が向上する。
したがって、高熱となる環境で使用されるインバータなどの電子部品用としてとくに効果が大きい。
【００１４】
なお、上記実施例では半導体素子２０のコーナー部Ｋと金属板１０の第２領域Ｒ２を超音波接合により直接接合したものとしたが、両者の間を融点の高いろう材を用いたろう付けによるものとし、あるいは銀ナノペーストを用いた銀接合などペースト剤を用いた加熱接合によるものとすることによっても、はんだ付けに比較して強固な接合が得られるとともに、延性の大きいＣｕの第２領域Ｒ２が介在することによって上述と同じくクラックの発生や半導体素子の破壊が防止される。
【００１５】
上記実施例では、第２の金属１２を第１の金属１１上面の凹部１５にろう付けで接合して第２領域Ｒ２を形成したが、第２領域Ｒ２の形成については種々の変形が可能である。
図３は第１の変形例を示す。
第２領域Ｒ２を形成するための第２の金属１２Ａは先細の形状とされ、第１領域Ｒ１を形成する第１の金属１１の上面には第２の金属１２Ａの先細の形状にそう凹部１５Ａを形成する。第２の金属１２Ａの外周側面には溝や突起などの凹凸１４が形成されている。
そして、第２の金属１２Ａをその先細の先端から第１の金属１１の凹部１５Ａに差し込み、押圧することにより、外周側面の凹凸１４を凹部１５Ａの内壁に噛み込ませて固定して、金属板１０Ａとする。
【００１６】
これによれば、第２の金属１２Ａの外周側面の凹凸１４により第１の金属１１との接触面積が大きく、ろう付けなどを施さなくても強固な結合が得られ、製造工程が簡単となる。
とくに、第２の金属１２Ａの外周側面の凹凸１４を螺旋のねじ形状とすれば、第２の金属１２Ａをねじ込みながら上面が第１領域Ｒ１と同一平面となるように埋め込むことができ、とくに作業が容易となる。
なお、第２の金属１２Ａの形状については先細とし、凹部１５Ａの形状もこれにそうものとしたが、両者の形状はこれらに限らず、第２の金属の溝や突起が噛み込めれば、例えば凹部１５Ａは一定径の貫通穴であってもよい。
また逆に、実装面となる第１の金属１１の上面には凹部１５Ａを形成しないで平坦のまま、第２の金属１２Ａをねじ込んで固定してもよい。この場合、第２の金属１２Ａを第１の金属１１にねじ込んだあと必要に応じて熱処理を施すことにより、残留応力を取り除くことができる。
【００１７】
つぎに第２の変形例を説明する。
これは、第１の金属１１の上面において、第１の金属系の合金となるべき金属元素を第２領域とすべき範囲に塗布する。そして、加熱することにより、その金属元素を第１の金属１１に拡散させると、図４に示すように、当該部分が第２の金属１２Ｂとしての合金となった金属板１０Ｂが得られる。
第１の金属１１をＡＬとするとき、塗布する金属元素としては、ＡＬに対して１７％Ｃｕを加えた合金や、２５％Ｃｕと１１％Ｍｇを加えたもの、あるいは２５％Ｃｕと５％Ｓｉ、６％Ｃｕと０．５％Ｚｒ、６％Ｍｇと０．４％Ｚｒ、１０％Ｚｎと０．９％Ｍｇと０．４％Ｚｒ、６％Ｚｎと２．１％Ｍｇと１．６％Ｃｕと０．２％Ｃｒを加えたもの（７４７５合金系）などが挙げられる。
上記拡散して得られた合金部分の上面が第２領域Ｒ２となり、その周辺を囲む第１の金属１１部分が第１領域Ｒ１となる。
これによれば、第１の金属１１と第２の金属１２Ｂとは本質的に確実な結合状態にあるから、両者間の接合についての余計な考慮が不要で製造が容易である。
【００１８】
つぎに、上記第１の実施例およびその変形例では、第１領域をＡＬ、および第２領域をＣｕとしたが、これらは例示であって、限定されることなく、相対的に延性の異なる任意の金属を選択することができる。
例えば、第１領域Ｒ１を形成する第１の金属１１をＡＬとしながら、第２領域Ｒ２を形成する第２の金属１２等はＣｕの代わりに超塑性ＡＬなどの超塑性金属とすることもできる。
図５は７４７５合金系の超塑性ＡＬとＡＬを比較した応力歪線図である。ＡＬの伸びは一般に３０〜４２％であるが、超塑性ＡＬはその延性がとくに大きく、破断までに例えば７８０％の伸びが得られるから、大きな変形量の差Ｚ２により一層歪吸収性能が向上し、信頼性を高める。
【００１９】
つぎに第２の実施例について説明する。これは、第１領域Ｒ１を形成する第１の金属と第２領域Ｒ２を形成する第２の金属の応力変形特性として弾性域での限界変形量を異ならせたものである。形状的な構成については第１の実施例と同じであるから、参照番号は図１のものを用いる。
本実施例では、半導体素子２０を取り付ける金属板１０において、弾性域での限界変形量が異なるものとして、図６に示すように、第１領域Ｒ１を形成する第１の金属１１はＣｕとし、第２領域Ｒ２を形成する第２の金属１２はＣｕよりＺ３だけ限界変形量の大きい低ヤング率合金としてある。
【００２０】
これにより、第２領域Ｒ２は弾性域内での変形量（伸び）が大きくなる。したがって、半導体素子２０のコーナー部Ｋが超音波接合、またはろう付けや銀接合等のペースト剤によって第２領域Ｒ２に接合され、その結果コーナー部Ｋまわりに応力が集中する場合にも、第２領域Ｒ２が大きく変形して応力が緩和される。しかもその変化量は弾性域内である。
【００２１】
本実施例は以上のように構成され、第２領域Ｒ２の応力変形特性を第１領域Ｒ１に比較して弾性域内での変形量（伸び）が大きいものとしたので、コーナー部Ｋまわりに集中する応力を吸収しながら、歪を蓄積しない。したがって、塑性変形に続くクラックの発生もなく、半導体素子の破壊も確実に阻止される。
【００２２】
なお、本実施例では第１領域Ｒ１をＣｕ、および第２領域Ｒ２を低ヤング率合金としたが、これらは例示であって、限定されることなく、相対的に弾性域内での変形量が異なる任意の金属を選択することができる。
変形例として、例えば、第１領域Ｒ１を形成する第１の金属１１はＣｕのままとし、第２領域Ｒ２を形成する第２の金属１２を低ヤング率合金の代わりにマルテンサイト変態を起こす形状記憶合金として用いられる超弾性合金とすることもできる。
【００２３】
図７はＦｅＮｉ系の超弾性合金とＣｕを比較した応力歪線図である。超弾性金属の上の線は負荷時の経路、下の線は除荷時の経路を示している。弾性域がＣｕに比較してＺ４だけ変形量の一層広い範囲をカバーしているから、熱応力の大きな変化時にも余裕をもって歪を吸収しながら、しかも歪を蓄積しない。
なお、第１領域と第２領域の弾性域での限界変形量を異ならせた本第２の実施例および変形例は、第１の実施例における第２領域Ｒ２の形成にかかる各変形例にもそのまま適用することができる。
【００２４】
上記の各実施例および変形例では、金属板の第２領域Ｒ２を半導体素子２０のコーナー部Ｋに対応させて複数箇所設けたものとしたが、第２領域の配置については、図８に示すように、半導体素子２０の平面形全体をカバーする範囲を第２領域Ｒ２Ａとすることもできる。
このような比較的広い面積の第２領域を形成する場合には、とくに第２の変形例に示した拡散による合金生成を利用するのが簡便である。
なお、この場合も、半導体素子２０の金属板への取り付けは、裏面全体の接合またはコーナー部Ｋにおいてのみの接合とすることができる。
【００２５】
これによれば、第２領域Ｒ２Ａの数が１つの半導体素子に対して１つとなって製作が簡単となる。
ただし、第２の金属１２の導電度や熱伝達率が十分でない場合には複数の小領域とした第２領域Ｒ２に分けるほうが好ましいから、いずれの配置を選択するか第２の金属１２の種類に応じて決定すればよい。
【００２６】
以上、実施例および変形例について説明したが、本発明はこれらに限定されず、例示した金属材料や接合材も特許請求の範囲に記載した要件を満足するかぎり、他の任意の材料を選択することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１の実施例の構成を示す図である。
【図２】第１の金属と第２の金属の応力歪線図である。
【図３】第１の変形例を示す断面図である。
【図４】第２の変形例を示す断面図である。
【図５】第１の実施例における他の第１の金属と第２の金属の応力歪線図である。
【図６】第２の実施例における第１の金属と第２の金属の応力歪線図である。
【図７】他の第１の金属と第２の金属の応力歪線図である。
【図８】第２の領域の配置の変形例を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０、１０Ａ、１０Ｂ    金属板
１１      第１の金属
１２、１２Ａ、１２Ｂ    第２の金属
１３      ろう材
１４      凹凸
１５、１５Ａ    凹部
２０      半導体素子
Ｋ        コーナー部
Ｒ１      第１領域
Ｒ２、Ｒ２Ａ    第２領域
【図１】
2007005601.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2007005601.tif 000007
【図６】
2007005601.tif 000008
【図７】
2007005601.tif 000009
【図８】
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