(57)【要約】【課題】半導体チップの主電極面にヒートスプレッダをはんだ接合し、該ヒートスプレッダを介してリードを接続したモジュールを対象に、その接合信頼性の向上を図る。【解決手段】絶縁基板２にマウントした半導体チップ３の上面側主電極面に重ねて電極板兼用のヒートスプレッダ７をろう付け（はんだ付け）した上で、ヒートスプレッダの上面に配線リード４を接続した半導体装置において、ヒートスプレッダの金属基材７ａ（銅，アルミ）の片面にろう材（はんだ）との接合性を高める異種金属膜７ｂ（Ｎi，Ｎi-Ｐ，Ｎi-Ｐ／Ａuめっき膜など）を成膜した上で、該面を半導体チップにろう付けし、他方の面にはリード部材としてヒートスプレッダの基材と同種金属の配線リード４を直接接合（例えば、超音波接合）する。【選択図】        図１
2007088030.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップの主電極面に重ねて電極板兼用のヒートスプレッダをろう付けした上で、該ヒートスプレッダにリード部材を接続した半導体装置において、
前記ヒートスプレッダの金属基材の片面にろう材との接合性を高める異種金属膜を成膜した上で、該面を半導体チップにろう付けし、他方の面にヒートスプレッダの基材と同種金属のリード部材を直接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記載の半導体装置において、ヒートスプレッダの金属基材がアルミ，アルミ合金もしくは銅，銅合金で、該金属基材の片面に成膜した異種金属膜がＮi，Ｎi-Ｐ，Ｎi-Ｐ／Ａuめっき膜のいずれかであることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１記載の半導体装置において、ヒートスプレッダの金属基材が、低線膨張係数の基材に高導電性のポスト電極を分散形成し、さらに配線リードとの接合面側に前記ポスト電極と連なる電極層を成層した複合材になる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、低線膨張係数の導電板がモリブデン，タングステン，黒鉛系炭素などの高融点材であり、該導電板の板面に分散形成した貫通穴に、低融点，高導電性材を鋳込んでポスト電極を形成したことを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１記載の半導体装置において、ヒートスプレッダの金属基材を、複数の基材ブロックに分けて格子状に並置配列し、かつ各基材ブロックの相互間に応力緩和層を充填して一体化したブロック集合体と、該ブロック集合体の端面に重ねて配線リードとの接合面側に積層した電極基板からなることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項５記載の半導体装置において、応力緩和層が金属基材よりも低ヤング率の樹脂，軟質金属，もしくは樹脂に高伝熱性，ないし導電性のフィラーを混入した材質であ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、パワー半導体モジュール，スイッチングＩＣなどを対象とする半導体装置に関し、詳しくは半導体チップの実装回路構造に係わる。
【背景技術】
【０００２】
昨今ではパワー半導体モジュールの小型，大容量化が進み、これに伴いパワー半導体モジュールに搭載するパワー半導体チップ（例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor））等は高い電流密度で通電使用されることから、その放熱対策が重要課題となっている。
すなわち、ＩＧＢＴなどのパワー半導体デバイスでは、半導体チップの接合部温度Ｔjに上限保証温度（例えば１２５℃）が規定されているのに対して、放熱用ベース（銅ベース板）に絶縁基板を介して半導体チップをマウントした片面冷却方式では、半導体チップの上面側がパッケージ内に充填した封止樹脂で封止されているのでチップ上面側からの放熱は殆ど期待できない。このために半導体チップの小型,大電流化に伴い発熱密度が増大すると、半導体チップの上面電極に接続する配線リードとしてアルミワイヤをボンディングした在来の配線構造では、チップの接合部温度を上限保証温度以下に抑えることが困難であるばかりか、アルミワイヤのジュール発熱も加わってワイヤ溶断のおそれもあってパワーサイクル耐量の低下が懸念される。
【０００３】
一方、半導体チップの上面からの放熱性を高めるための手段として、前記のアルミワイヤに代えてストラップ状の金属箔，あるいはリードフレームの配線リードを半導体チップの上面主電極にろう付け（通常ははんだ付け）し、この金属箔，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チップ上面側から絶縁基板に放熱させるようにした構成が知られている（例えば、特許文献１，特許文献２参照）。
次に、パワー半導体モジュールを例に、特許文献２に開示されているモジュールの組立構造を図４に示す。図において、１は放熱用銅ベース、２はセラミックス基板２ａの表，裏両面に導体パターン２ｂ，２ｃを形成して銅ベース１の上に搭載した絶縁基板（例えば、Direct Copper Bonding基板）、３は絶縁基板２の導体パターン２ｂにマウントした半導体チップ(ＩＧＢＴ)、４は半導体チップ３の上面電極（エミッタ電極）と絶縁基板２の導体パターン２ａとの間にまたがって両端をはんだ接合したリードフレーム（銅またはアルミ製の配線リード）、５は外囲樹脂ケース、６は銅ベース１に伝熱結合した放熱フィン（ヒートシンク）である。
【０００４】
また、前記とは別に、半導体チップの放熱性向上と併せて発熱密度の集中緩和を図る手段として、半導体チップの上面側主面に熱拡散部材として銅，アルミなどの高熱伝導性金属ブロックで作られたヒートスプレッダを伝熱的に固着し、このヒートスプレッダを吸熱，伝熱経路として半導体チップの中央部分に集中する発熱を拡散させてチップの温度分布を均温化させるようにした構成のものが知られている（例えば特許文献３参照）。
さらに、半導体チップの上面側主電極面にはんだ接合した前記ヒートスプレッダ自身を電極板としてその上面にリード部材として銅，アルミ箔などで作られた配線リードを接合（超音波接合）した構成のモジュール組立構造が本発明と同一出願人より特願２００４−２９３６６２号として先に提案されている。
ところで、前記のように半導体チップ３の主面にリードフレーム４の接合端面を重ね合わせて両者の間をはんだ付け（面接合）した実装回路では、半導体チップ３とリードフレーム４との線膨張係数差から、温度サイクルによりはんだ接合層に発生する熱応力がその接合面方向に剪断応力として繰り返し作用し、この応力による疲労ではんだ層にクラックが発生するなどして接続信頼性が低下する問題がある。
【特許文献１】特開２００１−３３２６６４号公報
【特許文献２】特開２００５−６４４４１号公報
【特許文献３】特開２０００−３０７０５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、前記半導体モジュールのように、半導体チップの上面側主面に銅，アルミなどで作られたヒートスプレッダをろう付け（はんだ接合）した上で、該ヒートスプレッダを介してその上面にリード部材（銅，アルミなどのリード箔，リードフレーム）を接続した従来構造では、半導体チップとヒートスプレッダとの線膨張係数差から、熱サイクルにより両者の間を接合したはんだ層（ろう付け層）に生じる熱ストレスが剪断応力として繰り返し作用し、この繰り返しストレスによりはんだ組織が粗大化してはんだ層にクラックが発生し、接合信頼性が低下する問題がある。
さらに、昨今では環境問題から鉛フリーはんだが採用されるようになっているが、鉛フリーはんだはＳｎ−Ｐｂ共晶はんだに較べてはんだ濡れ性が劣ることに加え、はんだ／母材の組合せによっては母材金属のはんだへの溶解，接合界面に生じる腐食反応，金属間化合物の形成などによる接合強度低下，抵抗増加の問題もある。
【０００６】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、半導体チップの主電極面にヒートスプレッダをはんだ接合した上で、該ヒートスプレッダを介してリード部材を接続した構成のモジュールを対象に、その接合信頼性の向上を図り、併せてはんだ接合層に作用する熱ストレスを緩和するようヒートスプレッダの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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明によれば、半導体チップの主電極面に重ねて電極板兼用のヒートスプレッダをろう付けした上で、該ヒートスプレッダにリード部材を接続した半導体装置において、
前記ヒートスプレッダの金属基材の片面にろう材（はんだ）との接合性を高める異種金属膜を成膜した上で、該面を半導体チップにろう付けし、他方の面にヒートスプレッダの基材と同種金属のリード部材を直接接合するものとし（請求項１）、具体的には次記のような態様で構成する。
（１）前記ヒートスプレッダの金属基材がアルミ，アルミ合金もしくは銅，銅合金で、該金属基材の片面に成膜した異種金属膜がＮi，Ｎi-Ｐ，Ｎi-Ｐ／Ａuめっき膜のいずれかである（請求項２）。
（２）前記ヒートスプレッダの金属基材が、低線膨張係数の基材に高導電性のポスト電極を分散形成し、さらに配線リードとの接合面側に前記ポスト電極と連なる電極層を成層した複合材で構成する（請求項３）。
（３）前項（２）において、低線膨張係数の導電板がモリブデン，タングステン，黒鉛系炭素などの高融点材であり、該導電板の板面に分散形成した貫通穴に、低融点，高導電性材を鋳込んでポスト電極を形成する（請求項４）。
（４）前記ヒートスプレッダの金属基材を、複数の基材ブロックに分けて格子状に並置配列し、かつ各基材ブロックの相互間に応力緩和層を充填して一体化したブロック集合体と、該ブロック集合体の端面に重ねて配線リードとの接続面側に積層した電極基板とから構成する（請求項５）。
（５）前項（４）において、応力緩和層が金属基材よりも低ヤング率の樹脂，軟質金属，もしくは樹脂に高伝熱性，ないし導電性のフィラーを混入した材質である（請求項６）。
【発明の効果】
【０００８】
上記のように、ヒートスプレッダの片面にＮi，Ｎi-Ｐ，Ｎi-Ｐ／Ａuめっき膜などの異種金属膜を形成した上で、このヒートスプレッダを半導体チップにろう付け（はんだ接合）することにより、ヒートスプレッダの金属基材とはんだとの濡れ性を高めつつ、一方では接合界面の腐食反応を抑制して接合信頼性の向上が図れる。また、ヒートスプレッダに接続するリード部材（箔、フレーム，あるいはワイヤのリード部材）を、ヒートスプレッダの金属基材と同種の金属材を選択して直接接合することで、ヒートスプレッダ／リード部材の接合界面に腐食反応が生じるおそれがなくて高い接続信頼性が得られる。
また、ヒートスプレッダの金属基材を、低線膨張係数の基材に高導電性のポスト電極を分散形成し、さらに配線リードとの接合面側に前記ポスト電極と同種の金属層を成層した複合材で構成することにより、ヒートスプレッダの実効的な線膨張係数を半導体チップの線膨張係数に近づけてはんだ接合層に加わる熱ストレスが軽減して接合信頼性がさらに向上する。この場合に、低線膨張係数の導電板をモリブデン，タングステン，黒鉛系炭素などの高融点材として、該導電板の板面に分散形成した貫通穴に、低融点，高導電性材を鋳込んでポスト電極を形成することで、複合構造になるヒートスプレッダを簡易な工程で製造できる。
【０００９】
また、ヒートスプレッダの金属基材を、複数のブロックに分けて格子状に並置配列し、かつ各ブロック相互間の隙間に金属基材よりも低ヤング率の樹脂，軟質金属などの応力緩和層を充填して一体化したブロック集合体と、該ブロック集合体の端面に重ねて配線リードとの接合面側に積層した電極基板とで構成することにより、熱サイクルに伴うストレスを前記応力緩和層で吸収してろう付けの接合信頼性が向上する。また、樹脂の応力緩和層に高伝熱性，ないし導電性のフィラーを混入することで、応力緩和機能と併せてヒートスプレッダの伝熱性，導電性を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を図１，図２，図３に示す各実施例に基づいて説明する。なお、実施例の図中で、図４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】
【００１１】
図１は、本発明の請求項１，２に対応する実施例の構成図であり、絶縁基板２にマウントした半導体チップ３に対して、該半導体チップ３の上面側主電極面には電極板を兼ねたヒートスプレッダ８がはんだ接合（はんだ層８）されており、このヒートスプレッダ７の上面にリード部材として、図示例ではストラップ状（平板導体）の配線リード４が接続されている。なお、配線リードはワイヤリードであってもよい。
ここで、ヒートスプレッダ７は、アルミ，アルミ合金，もしくは銅，銅合金の金属基材７ａに対してその片方の面に異種金属膜７ｂを成膜した上で、この異種金属膜７ｂを半導体チップ３に向けてはんだ接合している。また、配線リード４はヒートスプレッダ７の金属基材７ａの材質と同種金属であり、配線リード４の端部をヒートスプレッダ７の上面に重ね合わせて直接接合（例えば、超音波接合）するようにしている。
【００１２】
すなわち、ヒートスプレッダ７の金属基材７ａがアルミであれば配線リード４もアルミ材質とし、金属基材７ａが銅であれば銅製の配線リード４を使用する。また、前記の異種金属膜７ｂは、はんだ濡れ性を高め、かつ接合界面の腐食反応に対するバリア層としても機能し、アルミ，アルミ合金の金属基材７ａにＮiめっきを、銅,銅合金の金属基材７ａにはＮi−Ｐめっき，もしくはＮi−Ｐ／Ａuの多層メッキを施すものとする。なお、異種金属膜７ｂはスパッタリング法で成膜することもできる。
上記の構成により、半導体チップ３の発生熱は絶縁基板２およびヒートスプレッダ７に伝熱し、ヒートスプレッダ７においては半導体チップ３の中央に集中する発熱をチップ全域に分散させ、さらにヒートスプレッダ７に接続した配線リード４を伝熱経路としてチップ上面側からの放熱を促進させるように機能する。また、ヒートスプレッダ７はその金属基材７ａの端面に成膜した異種金属膜７ｂがはんだ層８に対して良好な接合性をと併せて、接合界面での腐食反応を抑止して高い接合信頼性を確保する。さらに、ヒートスプレッダ７の金属基材７ａと配線リード４とは同種金属を選択して直接接合することで、異種金属の接合界面に生じるような腐食反応のおそれなしに、安定した接続信頼性を確保でき、これにより半導体モジュールの信頼性が向上する。
【実施例２】
【００１３】
次に、先記実施例１を改良した本発明の請求項３，４に対応する実施例を図２（ａ），（ｂ）に示す。この実施例は、ヒートスプレッダ７の実効的な線膨張係数を半導体チップに近づけるように低めてはんだ層８に作用する熱ストレスを低減するようにしたものである。そのために、ヒートスプレッダ７の金属基材７を、低線膨張係数の基材（板）７ｃに高導電性のポスト電極７ｄを分散形成し、さらに配線リード４との接合面側にポスト電極７ｄに連なる電極層７ｅを成層した複合材で構成している。ここで、前記の低線膨張係数基材７ｃはモリブデン，タングステン，黒鉛系炭素などの高融点材で、この基材７ｃの板面に分散形成した貫通穴に、低融点，高導電性材（銅，アルミなど）を鋳込んでポスト電極７ｄを形成し、同じ鋳造工程で導電板７ｃの上面側に成層して電極層７ｅを形成する。そして、金属基材７ａの下面側には実施例１と同様な異種金属膜７ｂを成膜して半導体チップ３とはんだ接合するようにしている。
【００１４】
上記の構成により、ヒートスプレッダ７の実効的な線膨張係数は前記の低線膨張係数，高融点の基材７ｃに近似して低減し、半導体チップ３との線膨張係数差が減少する。これにより、熱サイクルによりはんだ層８に作用する熱ストレスが小さくなって接合信頼性が向上する。
【実施例３】
【００１５】
図３（ａ），（ｂ）は本発明の請求項５，６に対応する応用実施例であり、この実施例では熱サイクルに伴い半導体チップ／ヒートスプレッダ間を接合するはんだ層８に作用する熱ストレスを緩和させるために、ヒートスプレッダ７の金属基材７ａを、複数の基材ブロック７ａ−１に分けて格子状に並置配列し、かつ各基材ブロック７ａ−１の相互間隙間に応力緩和層７ｆを充填して一体化したブロック集合体と、該ブロック集合体の端面に重ねて配線リード４との接続面側に積層した電極基板７ａ−２とから構成している。
ここで、個々の基材ブロック７ａ−１は、実施例１あるいは２で述べた金属基材と同様な構造になり、応力緩和層７ｆには、基材ブロック７ａ−１よりも低ヤング率の樹脂，軟質金属，もしくは樹脂に高伝熱性，ないし導電性のフィラーを混入した材質を採用している。また、はんだ接合面側に異種金属膜７ｂを形成し、配線リード４はヒートスプレッダ７の金属基材７ａと同種金属のリードを用いることは先記の各実施例と同様である。
なお、前記の構成で基材ブロック７ａ−１のブロック集合体に電極基板７ａ−２を結合する組立方法は、複数に分けて格子状に並べた基材ブロック７ａ−１を薄い接着シートに貼り付けて仮組立した上で、この接着シートを挟んでブロック集合体の端面に電極基板７ａ−２を重ね合わせ、この状態で例えば超音波接合法などにより接着シートを突き抜いて電極基板７ａ−２を各基材ブロック７ａ−１に接合し、その後に基材ブロック７−１の相互間の隙間に応力緩和層７ｆを充填する。あるいは、同一面上で格子状に並べた基材ブロック７ａ−１の相互間隙間および周面に樹脂（応力緩和層７）を充填，被覆して一体化した後、ブロック集合体の端面に電極基板７ａ−２を接合する。
【００１６】
上記の構成によれば、熱サイクルに伴う金属基材７ａのブロックの膨張，収縮を前記の応力緩和層７ｆが吸収する。これにより、はんだ層８に加わる熱ストレスを緩和して先記実施例２と同様に接合信頼性が向上する。
また、この場合に応力緩和層７ｆとして、樹脂にアルミナ，窒化ホウ素などの微粒なフィラーを混入することにより、ヒートスプレッダ７としての伝熱性が向上する。また、樹脂に銀，銅などの微粒なフィラーを添加することで導電性が向上する。
なお、以上述べた実施例１〜３は、いずれも半導体チップ３とヒートスプレッダ７との間をはんだ接合しているが、はんだ以外のろう材でろう付けした構造に適用しても同等な効果を奏することができる。また、半導体装置のパッケージ形態についても、絶縁基板２に半導体チップ３をマウントした図示実施例の構造に限定されるものではなく、例えば表面実装形式のデバイス，スタッド形式のマルチチップ素子で構成した半導体装置にも同様に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施例１に対応する実施例のパッケージ組立構造の側視断面図
【図２】本発明の実施例２に対応する実施例の構成図で、（ａ）は側視断面図、（ｂ）は（ａ）における矢視Ｘ−Ｘ断面図
【図３】本発明の実施例３に対応する実施例の構成図で、（ａ）は側視断面図、（ｂ）は（ａ）における矢視Ｘ−Ｘ断面図
【図４】パワー半導体モジュールを例にした従来のパッケージ組立構造図
【符号の説明】
【００１８】
２    絶縁基板
３    半導体チップ
４    配線リード
７    ヒートスプレッダ
７ａ−１  基材ブロック
７ａ−２  電極基板
７ｂ  異種金属膜
７ｃ  低線膨張係数基材
７ｄ  ポスト電極
７ｅ  電極層
７ｆ  応力緩和層
８  はんだ層
【図１】
2007088030.tif 000003
【図２】
2007088030.tif 000004
【図３】
2007088030.tif 000005
【図４】
2007088030.tif 000006