(57)【要約】【課題】パワー半導体モジュールを対象に、量産加工性，コストを改善して高い放熱性能と信頼性が確保できるように配線リードおよびその接合構造を改良した半導体装置を提供する。【解決手段】絶縁基板にマウントした半導体チップ３の主面に配線リード９を半田接合した半導体装置において、前記配線リードを、半導体チップの主面に面接合するブロック状の熱伝導体１１と該熱伝導体に接合したリードフレーム１０との２部品に分け、かつリードフレームの端部に起立形成した突起片１０ａを熱伝導体に穿孔した貫通孔１１ａに嵌挿，固定した上で、該熱伝導体を半導体チップの主面に重ね合わせて載置し、この状態で半導体チップの主面と熱伝導体およびリードフレームとの間を一括してリフロー法により半田接合する。【選択図】        図１
2007201303.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板にマウントした半導体チップの主面に配線リードを接合した半導体装置において、
前記配線リードを、半導体チップの主面に面接合するブロック状の熱伝導体と該熱伝導体に接続するリードフレームとの２部品に分け、かつリードフレームの端部に起立形成した突起片を熱伝導体に穿孔した貫通孔に嵌挿，固定した上で、該熱伝導体を半導体チップの主面に重ね合わせて載置し、この状態で半導体チップの主面と熱伝導体およびリードフレームとの間を一括してロウ接合したことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、熱伝導体が金属、もしくは表面および貫通孔内面にメタライズを施した低剛性の黒鉛系炭素材，もしくは金属フィラーを添加したエンジニアリングプラスチックの成形品であ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に記載の半導体装置において、熱伝導体の貫通孔に少なくとも周面がロウ材である栓状の圧入部材をインサートしてリードフレームの突起片を貫通孔内に固定した上で、該圧入部材と共に半導体チップの主面と熱伝導体およびリードフレームとの間を一括してロウ接合したことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体装置において、圧入部材が、低融点ロウ材の外層と高融点ロウ材の内層との複合構造になることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項３に記載の半導体装置において、圧入部材が、低融点ロウ材の外層と、高融点ロウ材の内層と、低剛性の樹脂製芯材との三層構造になることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項３ないし５のいずれかの項に記載の半導体装置において、圧入部材は、熱伝導体の貫通孔に挿入してリードフレームを固定した状態で圧入部材の先端が熱伝導体の接合面からさらに半導体チップの主面に向けて突き出すような長さに設定した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、パワー半導体モジュールなどを対象に、発熱量の大きなパワー半導体素子を搭載した半導体装置に関し、詳しくは半導体素子の主面に接合する配線リード，およびその接合構造に係わる。
【背景技術】
【０００２】
近年になり、パワー半導体装置の定格拡大，高密度実装化に伴い、半導体素子の発生熱を効率よく放熱することが重要課題となっている。このような要求からパッケージ内で絶縁基板に半田マウントした半導体素子の配線構造について、ワイヤボンディングに代えて通電，伝熱容量の大きなリードフレームを半導体チップの主面に接合し、該リードフレームを伝熱経路として半導体チップの発生熱を上面側からも放熱させるようにした構成のものが採用されるようになっており（例えば、特許文献１，特許文献２参照）、次にＩＧＢＴモジュールを例にその半導体装置の組立構造を図５に示す。
【０００３】
図５において、１は放熱用銅ベース、２は絶縁基板（例えば、セラミックス基板２ａの表，裏両面に銅箔を直接接合して導体パターン２ｂ，２ｃを形成したＤＣＢ（Direct Copper Bonding）基板）、３は絶縁基板２の上にマウントしたパワー半導体チップ（ＩＧＢＴ）、４は半導体チップ２の上面電極（ＩＧＢＴのエミッタ電極）と絶縁基板２の導体パターンとの間に配線したリードフレーム（両端にブロック状の接合脚部を形成したの二股状の導体片）、５は銅ベース１に結合したパッケージの外囲樹脂ケース、６は外部導出端子、７は外部導出端子６と絶縁基板２の上面側導体パターン２ｂとの間に配線したボンディングワイヤ、８は半田（ロウ材）接合層であり、銅ベース１／絶縁基板２，絶縁基板２／半導体チップ３，半導体チップ３／リードフレーム４，リードフレーム４／絶縁基板２の間がリフロー半田付け法によりＳｎＡｇＣｕなどの鉛フリー半田により接合されている。なお、半導体チップ２を湿気，塵などから保護するために、外囲樹脂ケース５の内部にはシリコーンゲルなどを充填して封止している。
【０００４】
上記のように、配線リード材にリードフレーム４を採用することにより、該リードフレーム４を伝熱経路として半導体チップ３の発生熱を絶縁基板２に効率よく放熱することができるほか、リードフレーム４の端部に形成して半導体チップの主面に面接合した脚部がヒートスプレッダとして機能し、半導体チップ３の発生熱を受容してチップ表面の過渡的な温度上昇を低減させる。これにより、半導体チップ表面の温度勾配が小さくなり、温度サイクルなどの外的ストレスを受けて半田接合部に疲労破壊，クラックなどのダメージ発生を抑えて半導体装置の長期信頼性を向上することができる。
【特許文献１】特開２００５−６４４４１号公報（図１）
【特許文献２】特開２００５−１１６７０２公報（図５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、図５に示した従来構造の半導体装置では、半導体チップに接続する配線リードとして二股形状の導体片をリードフレーム４に採用しているが、このような異形形状の単体部品を製作するには量産加工性の面でコスト高となる。
【０００６】
かかる点、リードフレームを、一様な厚さの導体箔とその端部に接合してヒートスプレッダとして機能させるブロック形状の熱伝導体との２部品に分けて製作すれば前記の単体部品と比べて部品製造コストの大幅な低減が可能である。
【０００７】
しかしながら、一方では前記のように配線リードを２部品に分けると、半導体装置のモジュール組立工程で半導体チップに接合する配線リードの半田接合箇所が図５に示した単品部品の場合に比べて多くなり、この配線リードの各部品を個別に接合すると半田付け（ロウ付け）工程が２回に増えることになる。また、この半田付け工程を１回で済ますように半導体チップの上に配線リードの２部品を重ねてリフローすると、このままでは部品間にずれが生じるなどの問題が生じて安定した品質確保が技術的にも困難である。
【０００８】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、量産加工性，製造コストの面で前記課題を解決して、高い放熱性能と信頼性が確保できるように配線リードおよびその接合構造を改良した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】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明によれば、絶縁基板にマウントした半導体チップの主面に配線リードを接合した半導体装置において、
前記配線リードを、半導体チップの主面に面接合するブロック状の熱伝導体と該熱伝導体に接続するリードフレームとの２部品に分け、かつリードフレームの端部に起立形成した突起片を熱伝導体に穿孔した貫通孔に嵌挿，固定した上で、該熱伝導体を半導体チップの主面に重ね合わせて載置し、この状態で半導体チップの主面と熱伝導体およびリードフレームとの間を一括してロウ接合するものとし（請求項１）、その配線リードは次記のような具体的態様で構成することができる。
（１）前記の熱伝導体を、金属、もしくは表面および貫通孔内面にメタライズを施した低剛性の黒鉛系炭素材，金属フィラーを添加したエンジニアリングプラスチックの成形品で構成する（請求項２）。
（２）前記熱伝導体の貫通孔に少なくとも周面がロウ材である栓状の圧入部材をインサートしてリードフレームの突起片を貫通孔内に固定した上で、該圧入部材と共に半導体チップの主面と熱伝導体およびリードフレームとの間を一括してロウ接合する（請求項３）。
（３）前項（２）における圧入部材が、低融点ロウ材の外層と高融点ロウ材の内層との複合構造になる（請求項４）。
（４）前項（２）における圧入部材が、低融点ロウ材の外層と、高融点ロウ材の内層と、低剛性の樹脂製芯材との三層構造になる（請求項５）。
（５）前記の圧入部材は、熱伝導体の貫通孔に挿入してリードフレームを固定した状態で圧入部材の先端が熱伝導体の接合面からさらに半導体チップの主面に向けて突き出すような長さに設定する（請求項６）。
【発明の効果】
【００１０】
上記の構成によれば、次記の効果を奏する。
【００１１】
まず、配線リードを、ヒートスプレッダとして機能するブロック状の熱伝導体と、該熱伝導体に接続するリードフレームとの２部品に分けたことで、単体部品になる従来構造の配線リード（図５参照）と比べて量産加工性が向上し、製造コストを低減できる。また、リードフレームの端部に起立形成した突起片を熱伝導体に穿孔した貫通孔に嵌挿して所定位置に固定した上で、この熱伝導体を半導体チップの主面に載置してリフロー法によりロウ接合（共晶半田，および半田以外のロウ材による接合を含む）することにより、１回のロウ付け工程で配線リードの２部品を位置ずれなしに一括して半導体チップの主面に適正に接合できる。これにより、配線リードに単体部品のリードフレームを採用した従来構成と同等な放熱性能と、品質面でも高い信頼性が得られる。
【００１２】
また、配線リードを２部品に分けて一体化したことで、熱伝導体の材質には金属のほかに低剛性の黒鉛系炭素材，樹脂の採用が可能となり、これによりロウ材の凝固収縮による残留応力，およびその後の熱サイクルに伴いロウ材接合層に加わる熱応力を低減して長期信頼性が向上する。
【００１３】
さらに、前記熱伝導体の貫通孔に、少なくとも周面がロウ材である栓状の圧入部材をインサートし、該圧入部材を介してリードフレームの突起片を貫通孔内に固定することで、リードフレームの位置決め，固定支持が一層確実となり、またロウ付けリフロー工程では圧入部材が半導体チップとのロウ接合層と一体化して確実な接合を確保できる。
【００１４】
加えて、前記圧入部材を低融点ロウ材の外層と高融点ロウ材の内層との複合構造、あるいは低融点ロウ材の外層，高融点ロウ材の内層，低剛性の樹脂製芯材からなる三層構造とすることにより、ロウ付け工程では高融点ロウ材の内層が半溶融状態となって形状を保ちつつ異種材の密着度を高めることができ、さらに三層構造では低剛性の樹脂芯材が応力緩和層として働き、接合層に加わる熱応力を低減できる。
【００１５】
また、この圧入部材を熱伝導体の貫通孔に挿入してリードフレームを固定支持した状態で、圧入部材の先端が熱伝導体の接合面からさらに半導体チップの主面に向けて突き出すような長さに設定しておくことにより、圧入部材の突き出し部分が次のロウ付けリフロー工程でスペーサの役目を果たして、半導体チップの主面と熱伝導体との間に所要厚さのロウ接合層を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図１〜図４に示す実施例に基づいて説明する。なお、各実施例の図中で図５に対応する部材には同じ符号を付してその説明は省略する。
【実施例１】
【００１７】
図１（ａ），（ｂ）において、（ａ）図は本発明による配線リード９を半導体チップ３の主面に半田接合した状態での縦断面図、（ｂ）図は（ａ）における配線リード９の平面図であり、前記配線リード９は、良導電性のＣｕ，Ａｌなどの金属箔を図示のような網目パターンにプレス加工して形成したリードフレーム１０と、該リードフレーム１０の端部と後記のように結合するブロック形状の熱伝導体１１との２部品で構成している。
【００１８】
ここで、リードフレーム１０の端部には、複数箇所に分散して下向きに突起片１０ａが起立形成されている。一方、熱伝導体１１には、前記の突起片１０ａに対応して複数箇所に貫通孔１１ａが分散して穿孔されている。また、この貫通孔１１ａは中間から下側領域の孔１１ａ−１が断面拡大するようにしている。
【００１９】
なお、熱伝導体１１は半導体チップ３に対するヒートスプレッダを兼ね、その材質は良導電性，良伝熱性に加えて半導体チップ３との熱膨張係数差を低く抑えるように、例えばＷ，Ｍｏ，Ｃｕ−Ｗ，Ｃｕ−Ｍｏなどの低膨張係数金属とし、さらに半田濡れ性を確保するために表面および貫通孔にＮｉめっきを施しておくのがよい。
【００２０】
次に、前記配線リード９の組立，および半導体チップ３との接合工程について説明する。まず、リードフレーム１０の突起片１０ａを熱伝導体１１の貫通孔１１ａに押し込んで配線リード９を一体に組み立てる。なお、この場合に導電性接着剤（例えば、エポキシ樹脂にＡｇフィラーを添加した接着剤）を用いて突起片１０ａを貫通孔１１ａに固着してもよい。
【００２１】
次に、半導体チップ３（図示してないが、半導体チップ３は絶縁基板２（図５参照）にマウントされている）の上面側主面に適量の半田ペーストを塗布した上で、ここに前記のように組み立てた配線リード９の熱伝導体１を載置して重ね合わせ、この仮組立状態でリフロー炉に通炉する。これにより、溶融した半田材が図１（ａ）で表すように熱伝導体１０の貫通孔１１ａおよびリードフレーム１０の突起片１０ａとの間の隙間に隅々まで浸透し、半導体チップ３の主面とこれに接続する配線リード９のリードフレーム１０，熱伝導体１１との間が一括して半田接合されることになる。
【００２２】
これにより、リードフレーム１０は配線経路として、また熱伝導体１１はリードフレーム１０の固定，位置決め部材のほかにヒートスプレッダとして有効に機能し、半導体チップ３の放熱，温度勾配低減化に寄与することになる。
【００２３】
また、前記のように配線リード９をリードフレーム１０と熱伝導体１１との２部品に分けたことで、熱伝導体１１の材質は金属に限定されることなく、黒鉛系炭素材あるいは樹脂（高耐熱性のフッ素樹脂，ポリエーテル・スルフォン(ＰＥＳ)，ポリエーテルイミド(ＰＥＩ)，ポリイミド（ＰＩ），ポリエーテルケトン(ＰＥＫ)，ポリエーテル・エーテルケトン(ＰＥＥＫ)などの高耐熱性，低剛性のエンジニアリングプラスチックを採用することが可能となり、これら低剛性材質の熱伝導体１１を採用することにより熱伝導体が応力緩和層として働き、周囲半田の凝固収縮時に発生する残留応力を吸収緩和することができる。なお、樹脂製の熱伝導体については、導電性を付与するために導電性の金属粒子（Ｃｕ，Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔなど）をフィラーとして添加し、また半田との濡れ性を確保するために熱伝導体１１の表面，貫通孔１１ａにはＮｉメッキを施しておくのがよい。
【実施例２】
【００２４】
次に、本発明の請求項３に対応する実施例を図２に示す。この実施例では、先記実施例１の構成に加えて、配線リード９の組立時に熱伝導体１１の貫通孔１１ａへ栓状の圧入部材１２をインサートしてリードフレーム１０の突起片１０ａを貫通孔内に挟持固定し、配線リード９の取扱い時にリードフレーム１０が脱落することのないよう所定位置に位置決め支持するようにしている。
【００２５】
ここで、圧入部材１２は半田材を成形加工したものであり、続く半田接合工程で配線リード９の組立体を半導体チップ３の主面に搭載してリフロー通炉することにより、半田半田材で作られた圧入部材１２が溶融して半田接合層８と一体に融合する。これにより、リードフレーム１０の位置ずれ発生のおそれなしに、配線リード９を半導体チップ３の主面に的確に半田接合できる。
【実施例３】
【００２６】
図３は、先記実施例２の応用例として本発明の請求項４に対応する実施例を示すものである。この実施例においては、圧入部材１２が半導体チップ３に接合する半田材と同質な低融点ロウ材の外層１２ａと、芯材となる高融点ロウ材の内層１２ｂとの複合構造になる。なお、前記外層１２ａ，内層１２ｂの材質としては、外層１２ａがＳｎＡｇＣｕなどの標準的な鉛フリー半田（例えば、Ｓｎ3.０Ａｇ0.５Ｃｕ）、内層１２ｂがＳｎＳｂ，ＳｎＰｂ（Ｓｎ：０〜１０ｗｔ％），ＳｎＡｇＰｂ（Ｓｎ：０〜１０ｗｔ％、Ａｇ：1.０〜３.０ｗｔ％）の高温半田であり、芯材となる内層１２ｂを棒状に成形した後、その周面に低融点半田材を半田メッキして外層１２ａを形成する。
【００２７】
これにより、圧入部材１２を熱伝導体１１の貫通孔１１ａにインサートして組み立てた配線リード９を半導体チップ３の主面に半田接合するリフロー工程では、圧入部材１２の外層１２ａが半田接合層８と一体に融合してリードフレーム１０の突起片１０ａに接合するのに対して、高融点ロウ材の内層１２ｂは殆ど元の形状を保った半溶融状態のまま低融点の半田層と接する界面に固相拡散と固−液混相拡散が共存した形態で界面反応して一体化して高い一体化強度を確保できる。なお、前記内層１２ｂは中空構造として多少の撓み性を持たせるようにしてもよい。
【実施例４】
【００２８】
次に、実施例３をさらに改良した本発明の請求項５，６に対応する実施例を図４に示す。この実施例では、先記実施例３の複合圧入部材１２に対して、その中心部に低剛性（半田材よりもヤング率が低い）の樹脂製芯材１２ｃを追加した三層構造になる。これにより半田リフロー工程では樹脂製の芯材１２ｃが応力緩和層として機能し、半田の凝固収縮時に発生する残留応力を吸収緩和することができる。
【００２９】
なお、前記の樹脂製芯材１２ｃは、例えばフッ素樹脂，ポリエーテル・スルフォン(ＰＥＳ)，ポリエーテルイミド(ＰＥＩ)，ポリイミド（ＰＩ），ポリエーテルケトン(ＰＥＫ)，ポリエーテル・エーテルケトン(ＰＥＥＫ)などの高耐熱性のエンジニアリングプラスチックであり、この圧入部材を製造するには、芯材１２ｃとなる樹脂成型品の表面にＮｉコートを施した上で、その周面に高融点および低融点の半田材を順にメッキして内層１２ｂおよび外層１２ａを形成する。
【００３０】
さらに、この実施例では圧入部材１２を熱伝導体１１の貫通孔１１ａにインサートした配線リード９の組立状態で、圧入部材１２の先端が熱伝導体１１の下面からさらに寸法ｈだけ突き出すように全長長さを延長している。これにより、配線リード９の組立体を半導体チップ３に載置してリフロー半田接合を行う際に、前記圧入部材１２を高さ方向の位置部材として、半導体チップ３の主面と熱伝導体１１の接合面との間に所要厚さｈの半田接合層８を確保することができ、これにより半田接合部の品質が安定する。
【００３１】
なお、以上の各実施例では、配線リード９を図５の絶縁基板２にマウントした半導体チップ３の上面側主面（第一主面：ＩＧＢＴのエミッタ電極面）にロウ接合する構成について述べたが、配線リードを半導体チップの第二主面（ＩＧＢＴのコレクタ電極面），あるいは絶縁基板の導体パターンに接合する場合にも同様に実施適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施例１に係わる半導体装置の要部構成図であり、（ａ）は配線リードを半導体チップの主面に半田接合した状態での縦断面図、（ｂ）は（ａ）における配線リードの平面図
【図２】本発明の実施例２に係わる配線リードの構造断面図
【図３】本発明の実施例３に係わる配線リードの構造断面図
【図４】本発明の実施例４に係わる配線リードの構造断面図
【図５】ＩＧＢＴモジュールを例にした半導体装置の従来における組立構造図
【符号の説明】
【００３３】
２    絶縁基板
３    半導体チップ
８    半田接合層
９    配線リード
１０    リードフレーム
１０ａ  突起片
１１    熱伝導体
１１ａ  貫通孔
１２    圧入部材
１２ａ  外層
１２ｂ  内層
１２ｃ  芯材（樹脂）
【図１】
2007201303.tif 000003
【図２】
2007201303.tif 000004
【図３】
2007201303.tif 000005
【図４】
2007201303.tif 000006
【図５】
2007201303.tif 000007