(57)【要約】【課題】半導体チップ１の第２の主面への応力集中を回避して寿命を延ばす。【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第１の電極板５と、半導体チップ１の第２の主面に接触した表面を備え、外周縁部の剛性が中央部に比べて弱いコンタクト端子２とを備える。高温時に半導体チップ１が湾曲した場合、導電性板状部材の外周縁部が湾曲に沿って変形しやすくなる。【選択図】図１
2007080943.tif 000002
【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電極と、
前記第２の主面に接触した表面を備え、外周縁部の剛性が中央部に比べて弱い導電性板状部材
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】
前記外周縁部における前記導電性板状部材の厚みは、前記中央部よりも薄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】
前記導電性板状部材の外周縁部の側面に溝が形成されている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】
前記溝は、前記側面の中央よりも前記半導体チップ側に近い位置に形成されていることを特徴とする請求項３記載の圧接型半導体装置。
【請求項５】
前記表面における前記導電性板状部材の外周端部は面取りされていることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項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、半導体チップと第１の電極板が第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、半導体チップ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、半導体チップの第２の主面に接触した表面を備え、外周縁部の剛性が中央部に比べて弱い導電性板状部材とを備える圧接型半導体装置であることである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、高温時に半導体チップが湾曲した場合、導電性板状部材の外周縁部が湾曲に沿って変形しやすくなり、半導体チップの第２の主面への応力集中を回避して寿命を延ばすことができる。
【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乃至図３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２３及び第１の主面２３に対向する第２の主面２２を備える半導体チップ１と、第１の主面２３に接合された第１の電極板５（電極）と、半導体チップ１の第２の主面２２に接触した表面２４を備えるコンタクト端子２（導電性板状部材）と、コンタクト端子２の表面２４に対向する裏面に接する応力緩和用金属３と、応力緩和用金属３の上に載置された第２の電極板４と、第１の電極板５及び第２の電極板４の外側にそれぞれ配置された絶縁シート８と、第２の電極板４側の絶縁シート８の上に配置されたバネ６（弾性シート）と、バネ６の上に配置された加圧プレート１０と、第２の電極板４側の絶縁シート８の下に配置された外側剛体７と、外側剛体７と加圧プレート１０を接続及び固定するボス部９とを備える。
【０００９】
半導体チップ１の第１の主面２３は、第１の電極板５に半田付けにより接合されている。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。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５の材質は、半導体チップ１の材質（Ｓｉ）よりも線膨張係数が大きい銅（Ｃｕ）からなる。
【００１０】
コンタクト端子２は、半導体チップ１と近い線膨張係数を備え、剛性の高い材質（例えば、モリブデン：Ｍｏ）からなる。これにより、コンタクト端子２は、半導体チップ１と他部品との線膨張係数の差を補う役割を果たしている。応力緩和用金属３は、半導体チップ１やコンタクト端子２に印加される応力を緩和・調整する役割を持っており、電気的特性の優れている銅を主材料とする。絶縁シート８は絶縁性に優れたゴムなどを主材料とする。
【００１１】
第１の電極板５は絶縁シート８を挟んで外側剛体７に接しており、外側剛体７は第１の電極板５を支える役割を果たしている。第２の電極板４は絶縁シート８を挟んでバネ６と接しており、加圧プレート１０は半導体チップ１からバネ６の延長上に配置されている。したがって、加圧プレート１０によりバネ６が押圧されることによりバネ６に応力が発生し、第２の電極板４、応力緩和用金属３、コンタクト端子２を介して半導体チップ１に応力が加わる。バネ６の変形量（たわみ量）はボス部９の高さにより決定され、ボス部９の高さを低くするとバネ６の変形量が増加し、バネ６が発生する応力は増加する。バネ６の形状は特に限定されず、平バネ、皿バネなど多様な形状を採用できる。
【００１２】
第１の電極板５及び第２の電極板４は絶縁シート８を介して外側剛体７及びバネ６と接しており、第１の電極板５と第２の電極板４の間で半導体チップ１に基づく回路が形成されている。
【００１３】
加圧プレート１０と外側剛体７はボス部９を通じて接続・固定されており、加圧プレート１０と外側剛体７間には第２の電極板や第１の電極板を持っているため、加圧プレート１０がボス部９に接続・固定されるとバネ６を押圧しつづけることが可能となる。
【００１４】
図２及び図３に示すように、表面２４に対向するコンタクト端子２ａの裏面において、外周縁部に面取り処理（Ｃ面取り処理）が施されている。つまり、コンタクト端子２ａは、その裏面において外周縁部に形成されたＣ面取り処理部２ａ-１を備える。
【００１５】
図３に示すように、Ｃ面取り処理部２ａ-１を備えることにより、外周縁部におけるコンタクト端子２ａの厚み（Ｌ１）は、コンタクト端子２ａの中央部（Ｌ２）よりも薄くなる。
【００１６】
図４に示すように、これにより、コンタクト端子２ａの外周縁部の剛性が中央部に比べて弱くなり、外周縁部が中央部に比して変形しやすくなる。
【００１７】
ここで、第１の電極板５における電気抵抗を極力低減するために、第１の電極板５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１と第１の電極板５が同じ温度であっても第１の電極板５の方がより大きく膨張する。ところが、半導体チップ１と第１の電極板５は半田付けされているため、高温時には、図５に示すように、半導体チップ１と第１の電極板５がコンタクト端子２ａ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２ａの外周端部（エッジ）のみが半導体チップ１と接触する状態となる。
【００１８】
図６（ａ）に示すように、このままでは、半導体チップ１の第２の主面２２とコンタクト端子２ａの表面２４の間に隙間が生じて、コンタクト端子２ａの外周端部から半導体チップ１の表面へ集中した応力が発生する。これにより、半導体チップ１の表面に傷が形成され、半導体チップ１の寿命を低下させてしまう。そこで、本発明の実施の形態では、図４に示したように、コンタクト端子２ａの外周縁部の剛性を中央部に比べて弱くして、外周縁部を中央部に比して変形しやすくした。よって、コンタクト端子２及び半導体チップ１に応力を加わることにより、図６（ｂ）に示すように、コンタクト端子２ａの外周縁部が変形して、半導体チップ１の第２の主面２２とコンタクト端子２ａの表面２４との接触する面積が増加し、半導体チップ１の表面への応力の集中が回避され、寿命が延びる。
【００１９】
＜第１の変形例＞
図２には、Ｃ面取り処理が施されたコンタクト端子２ａを示した、本発明はこれに限定されない。図７に示すように、コンタクト端子２ｂは、コンタクト端子２ａの裏面において、外周縁部にＲ面取り処理が施されていても構わない。つまり、コンタクト端子２ｂは、その裏面において外周縁部に形成されたＲ面取り処理部２ｂ-１を備えてもよい。この場合も、Ｒ面取り処理部２ｂ-１を備えることにより、外周縁部におけるコンタクト端子２ｂの厚みは、コンタクト端子２ｂの中央部よりも薄くなる。これにより、コンタクト端子２ｂの外周縁部の剛性が中央部に比べて弱くなり、外周縁部が中央部に比して変形しやすくなり、上記と同様な技術的な効果が得られる。
【００２０】
＜第２の変形例＞
図８に示すように、更に、コンタクト端子２ｃは、その裏面において外周縁部に段差が形成されていても構わない。この場合、外周縁部の厚さ（Ｌ５）は中央部の厚さ（Ｌ６）よりも薄くなる。よって、コンタクト端子２ｂの外周縁部の剛性が中央部に比べて弱くなり、外周縁部が中央部に比して変形しやすくなり、上記と同様な技術的な効果が得られる。なお、段差上面の幅（Ｌ３）と段差下面を含むコンタクト端子２ｂ全体の幅（Ｌ４）との割合は、実際の装置における半導体チップ１の湾曲の度合いから定めればよい。
【００２１】
＜第３の変形例＞
図９に示すように、或いは、コンタクト端子２ｄの外周縁部の側面に溝２ｄ-１が形成されていても構わない。この場合、図２のＣ面取り処理部２ａ-１、図７のＲ面取り処理部２ｂ-１及び図８の段差部に比べて、コンタクト端子２ｄの裏面と応力緩和用金属３との間の接触面積を増加させることができる。よって、上記と同様な技術的な効果と同時に、より高い熱伝導性（熱放出効率）及び電気的特性（低抵抗性）が得られる。
【００２２】
なお、図９のコンタクト端子２ｄでは、厚さ方向における溝２ｄ-１の位置は、ほぼ中央部である。しかし、図１０に示すように、溝２ｅ-１の位置を、半導体チップ１側に近づけてもよい。つまり、コンタクト端子２ｅの裏面から溝２ｅ-１までの距離（Ｌ９）をコンタクト端子２ｄの表面から溝２ｅ-１までの距離（Ｌ１０）よりも長くしてもよい。この場合、コンタクト端子２ｄの表面において、外周縁部がより変形しやすくなる。
【００２３】
また、図１１に示すように、コンタクト端子２ｆの表面において、外周端部を面取り処理２ｆ-１（Ｒ面取り処理）を施してもよい。これにより、コンタクト端子２ｆの表面の外周端部が半導体チップ１に接触しなくなるので、半導体チップ１に局所的な圧力が印加されず、半導体チップ１の第２の主面２２に傷・ダメージが発生しない。よって、半導体チップ１の寿命を更に延ばすことができる。
【００２４】
また、溝の数、位置、深さ、形状については限定されず、コンタクト端子２の表裏面の形状及び接触面積に影響を与えない溝であればよい。
【００２５】
コンタクト端子２の製造方法を説明する。先ず、ロール圧延にて平板を成形し、その後、各形状・サイズに合わせて打ち抜きを行い、金属切削により各１個づつ製造し、最後にバレル研磨などによりバリ取りを施す。図３、図７、図８における外周縁部の形状に関しては、平板に対して大まかなサイズに合わせて打ち抜き（プレスタンピング）を行い、スエージングによりＣ面若しくはＲ面、段差を設けた後、打ち抜きなどのトリミングを行ってもよい。なお、プレスタンピングはコンタクト端子材の逃げ部を設けることが可能であるため、スエージング加工時のコンタクト端子２のＣ面取り処理部、Ｒ面取り処理部、段差部の密度が増加することないので、コンタクト端子２の外周縁部の剛性を弱めることが可能である。
【００２６】
以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、コンタクト端子２の外周縁部の剛性が中央部に比べて弱いため、体周縁部が変形しやすくなり、半導体チップ１に生じる反りに応じてコンタクト端子２が反りの形状に従い変形する。これにより、コンタクト端子２と半導体チップ１の実効接触面積が増加し、実効接触面積が大きくなると共に、半導体チップ１上に発生する応力が分散され、半導体チップ１の寿命を延ばすことができる。
【００２７】
また、外周縁部におけるコンタクト端子２の厚みは、中央部よりも薄いことにより、コンタクト端子２の外周縁部における剛性を弱めることができる。具体的には、コンタクト端子２の半導体チップ１と接触する面に対抗する面の外周縁部をＣ面取り、Ｒ面取り、段差を設ける。これにより、半導体チップ１との接触面形状及び接触面積を維持しつつコンタクト端子２の外周縁部の厚みを薄くしてコンタクト端子２の外周縁部の剛性を弱めることができる。
【００２８】
コンタクト端子２の外周縁部の側面に溝を形成することにより、コンタクト端子２の表裏面における形状及び接触面積を減少させることなく、コンタクト端子２の外周縁部の剛性を弱めることができる。よって、コンタクト端子２の表裏面における電気的特性及び熱伝導性を維持すると同時に、外周縁部の剛性を弱めることができる。
【００２９】
コンタクト端子２の溝は、外周縁部の側面の中央よりも半導体チップ１側に近い位置に形成されている。これにより、溝の数、深さ、形状を変えることなく、コンタクト端子２の外周縁部の剛性を更に弱くすることができる。
【００３０】
表面２４におけるコンタクト端子２の外周端部を面取りすることにより、表面２４のエッジが半導体チップ１の第２の主面２２に当たることにより、局所的に応力が集中し、傷・ダメージを形成してしまうことが回避され、これと同時に、コンタクト端子２の外周縁部の剛性を更に弱めて変形しやすくする。
【００３１】
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】
【００３２】
【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】図１の半導体チップとコンタクト端子を拡大した断面図である。
【図３】図１のコンタクト端子を拡大した断面図である。
【図４】コンタクト端子の外周縁部の剛性が中央部に比べて弱くなる様子を示す断面図である。
【図５】湾曲した半導体チップ及び第１の電極板とコンタクト端子とを示す断面図である。
【図６】図６（ａ）は図５の点線２１で囲まれた部分を拡大した断面図であり、図６（ｂ）はコンタクト端子の外周縁部が変形して半導体チップとの接触面積が増えた状態を示す断面図である。
【図７】実施の形態の第１の変形例に係わるコンタクト端子を示す断面図である。
【図８】実施の形態の第２の変形例に係わるコンタクト端子を示す断面図である。
【図９】実施の形態の第３の変形例に係わるコンタクト端子を示す断面図である。
【図１０】図９のコンタクト端子の溝の位置を変更した例である。
【図１１】図９のコンタクト端子の外周端部をＲ面取り処理を施した例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１…半導体チップ
２…コンタクト端子（導電性板状部材）
２ａ〜２ｆ…コンタクト端子
３…応力緩和用金属
４…第２の電極板
５…第１の電極板（電極）
６…バネ
７…外側剛体
８…絶縁シート
９…ボス部
１０…加圧プレート
２２…第２の主面
２３…第１の主面
２４…表面
【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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