(57)【要約】【課題】半導体チップと電極部材との間の電気抵抗および熱抵抗を、安定して、再現性良く低減できる半導体装置を提供する。【解決手段】本発明の半導体装置は、半導体チップ１１と電極部材１２ａとが、接触中間材１５を介して、圧力１７によって圧接される構造において、接触中間材１５が、半導体チップ１１または電極部材１２ａに一方の端部が接合する複数本の導電性細線、もしくは、半導体チップ１１に一方の端部が接合する導電性細線および電極部材１２ａに一方の端部が接合する導電性細線を含む複数本の導電性細線で構成されている。【選択図】図１
2013197221.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップと、
前記半導体チップに対向して配置される電極部材と、
前記半導体チップと前記電極部材との間に介在する接触中間材と、
前記電極部材を前記半導体チップに前記接触中間材を介して圧接させる加圧装置と、
を備え、前記接触中間材が、前記半導体チップまたは前記電極部材に一方の端部が接合する複数本の導電性細線、もしくは、前記半導体チップに一方の端部が接合する導電性細線および前記電極部材に一方の端部が接合する導電性細線を含む複数本の導電性細線で構成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記加圧装置は、前記電極部材を前記半導体チップに圧接させる圧力を、前記半導体チップの外側の位置で発生させるように構成されており、
前記複数本の導電性細線の長さが、前記半導体チップの中心から前記半導体チップの周辺部に向かって順次、短くなっている
ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記導電性細線は、その最大径が１μｍ以上かつ１０μｍ以下で、その長さが２μｍ以上かつ２０μｍ以下であり、最大径に比べて長さが長いことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記導電性細線は、Ａｕ、Ａｇ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃ、Ｐｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、半田合金又はこれらのうちの２種類以上からなる混合物から選択された物質からなることを特徴とする請求項１なし３のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項５】
半導体チップまたは電極部材の少なくとも一方の電極端子上に導電性細線を形成する工程と、
前記電極部材を前記半導体チップに前記導電性細線を介して圧接する工程と、
を具備し、
前記導電性細線を形成する工程は、
前記電極端子上に、貫通孔を有するマスク材を形成する工程と、
前記貫通孔に導電性物質を充填する工程と、
前記マスク材を除去する工程と、
を具備する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップと電極部材とが圧接されて、該半導体チップから電気信号が該電極部材を介して外部へ取り出されるように構成された半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、パワー半導体装置（パワーモジュールまたは大電力半導体装置）として、ＩＧＢＴやサイリスタ等のパワー半導体チップ（パワーデバイス）と電極部材とが圧接される構造を持つものが提案されている。この圧接型のパワー半導体装置は、パワー半導体チップと電極部材とが圧接されて、該パワー半導体チップから電気信号が該電極部材を介して当該パワー半導体装置の外部へ取り出されるように構成されている。
【０００３】
以上のように、圧接型パワー半導体装置は、パワー半導体チップと電極部材とが接触方式で接続された構造を備える。このようにパワー半導体チップと電極部材とが、接合することなく、圧接によって接触する圧接型とすることで、温度変化の幅が大きいパワー半導体チップを備えるパワー半導体装置において、パワー半導体チップと電極部材とが接続される接続部への、接続部材間（パワー半導体チップと電極部材との間）の熱膨張係数差に起因する応力集中が、その接続部材同士が滑り合うことで緩和されるので、接続品質の高いパワー半導体装置を実現できる。
【０００４】
しかしながら、今日、パワー半導体チップの定格電流を増大させるために、パワー半導体チップの大容量化が進んでいる。このため、パワー半導体装置の効率および耐久性を向上させるために、パワー半導体チップと電極部材との間の接触電気抵抗及び熱抵抗の低減が要請されている。
【０００５】
この要請に応える半導体装置として、例えば、特許文献１に記載された圧接型半導体装置がある。この圧接型半導体装置は、図１１に示すように、パワー半導体チップなどの発熱素子１１１の表裏の各電極面に、電極部材である一対の電極板１１２ａ、１１２ｂが圧接され、その一対の電極板１１２ａ、１１２ｂの外側面（発熱素子に対向する面とは反対側の面）に一対の絶縁板１１３ａ、１１３ｂが圧接され、その一対の絶縁板１１３ａ、１１３ｂの外側面（電極板に対向する面とは反対側の面）に一対の放熱板１１４ａ、１１４ｂが圧接された構造を備えている。また、発熱素子１１１の各電極面と各電極板１１２ａ、１１２ｂとの間に、少なくとも熱伝導性及び導電性を有する粒子部材（図示せず）からなる接触中間材１１５ａ、１１５ｂが介在している。この接触中間材１１５ａ、１１５ｂを構成する粒子部材（図示せず）が、発熱素子１１１の各電極面と各電極板１１２ａ、１１２ｂとの間に生ずる隙間を埋めることで、発熱素子１１１の各電極面と各電極板１１２ａ、１１２ｂとの間の接触電気抵抗及び熱抵抗を低減することができる。
【０００６】
すなわち、図１２（ａ）に示すように、発熱素子の電極面に形成されている電極端子１２１と、電極部材である電極板の表面に形成されている電極端子１２２とが対向して圧接される接続部において、接続部材間（電極端子１２１と電極端子１２２との間）には、それらの表面の平坦度に起因する隙間１２３が発生する。この問題に対し、図１１に示す圧接型半導体装置では、図１２（ｂ）に示すように、接触中間材を構成する粒子部材１２４を、発熱素子の電極端子１２１と電極板の電極端子１２２との間に充填することで、その熱伝導性及び導電性を有する粒子部材１２４によって、両電極端子１２１、１２２間の接触電気抵抗及び熱抵抗を共に低減し、ひいては、発熱素子と電極板との間の接触電気抵抗及び熱抵抗を共に低減している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−１０２４００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、本発明者等の検討によれば、図１２（ｃ）に示すように、接触中間材を構成する粒子部材１２４は、粒子同士の凝集作用による粗密化現象などのために、その分布を制御することが不可能であるので、粒子部材１２４が均一に分布されない状態が度々発生する。そのため、熱伝導性及び導電性を有する粒子部材１２４からなる接触中間材によって、パワー半導体チップと電極部材との間の接触電気抵抗及び熱抵抗を、安定的にかつ再現性良く低減することは困難である。
【０００９】
本発明は、上記問題に鑑み、互いに接触するパワー半導体チップと電極部材との間の電気抵抗および熱抵抗を、安定して、再現性良く低減できる半導体装置及びその製造方法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】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の半導体装置は、半導体チップと、前記半導体チップに対向して配置される電極部材と、前記半導体チップと前記電極部材との間に介在する接触中間材と、前記電極部材を前記半導体チップに前記接触中間材を介して圧接させる加圧装置と、を備える。また、本発明の半導体装置において、前記接触中間材は、前記半導体チップまたは前記電極部材に一方の端部が接合する複数本の導電性細線、もしくは、前記半導体チップに一方の端部が接合する導電性細線および前記電極部材に一方の端部が接合する導電性細線を含む複数本の導電性細線で構成されている。
【００１１】
上記本発明の半導体装置において、前記加圧装置は、前記電極部材を前記半導体チップに圧接させる圧力を、前記半導体チップの外側の位置で発生させるように構成されていてもよい。この場合、前記複数本の導電性細線の長さが、前記半導体チップの中心から前記半導体チップの周辺部に向かって順次、短くなっているのが好適である。
【００１２】
また、上記本発明の半導体装置において、前記導電性細線は、その最大径が１μｍ以上かつ１０μｍ以下で、その長さが２μｍ以上かつ２０μｍ以下で、最大径に比べて長さが長いのが好適である。
【００１３】
また、上記本発明の半導体装置において、前記導電性細線の材料は、Ａｕ、Ａｇ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃ、Ｐｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、半田合金又はこれらのうちの２種類以上からなる混合物から選択されてもよい。
【００１４】
また、上記目的を達成するために、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体チップまたは電極部材の少なくとも一方の電極端子上に導電性細線を形成する工程と、前記電極部材を前記半導体チップに前記導電性細線を介して圧接する工程と、を具備し、前記導電性細線を形成する工程が、前記電極端子上に、貫通孔を有するマスク材を形成する工程と、前記貫通孔に導電性物質を充填する工程と、前記マスク材を除去する工程と、を具備する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、半導体チップと電極部材間の電気抵抗および熱抵抗を、共に、安定して、再現性良く低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態１における圧接型パワー半導体装置の概略構成を模式的に示す断面図
【図２】本発明の実施の形態１における圧接型パワー半導体装置の接続部を模式的に示す拡大断面図
【図３】本発明の実施の形態１における接触中間材の形成方法の一例を模式的に示す工程別断面図
【図４】（ａ）本発明の実施の形態２における圧接型パワー半導体装置の概略構成を模式的に示す断面図、（ｂ）本発明の実施の形態２における接触中間材を模式的に示す拡大断面図
【図５】（ａ）本発明の実施の形態３における圧接型パワー半導体装置の概略構成を模式的に示す断面図、（ｂ）本発明の実施の形態３における圧接型パワー半導体装置の接続部を模式的に示す拡大断面図
【図６】（ａ）本発明の実施の形態４における圧接型パワー半導体装置の概略構成を模式的に示す断面図、（ｂ）本発明の実施の形態４における接触中間材を模式的に示す拡大断面図
【図７】（ａ）本発明の実施の形態５における圧接型パワー半導体装置の概略構成を模式的に示す断面図、（ｂ）本発明の実施の形態５における圧接型パワー半導体装置の接続部を模式的に示す拡大断面図
【図８】本発明の実施の形態５における２種類の導電性細線の位置関係を説明するための図
【図９】（ａ）本発明の実施の形態６における圧接型パワー半導体装置の概略構成を模式的に示す断面図、（ｂ）本発明の実施の形態６における第２接触中間材を模式的に示す拡大断面図、（ｃ）本発明の実施の形態６における第１接触中間材を模式的に示す拡大断面図
【図１０】本発明の実施の形態７における圧接型パワー半導体装置の概略構成を模式的に示す断面図
【図１１】従来の圧接型半導体装置の要部断面図
【図１２】（ａ）接続部材間に接触中間材が介在しない接続部の拡大断面図、（ｂ）接続部材間に従来の接触中間材が介在する接続部の拡大断面図、（ｃ）従来の接触中間材が偏在する接続部の拡大断面図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、パワー半導体装置を例にして、図面を参照しながら説明する。但し、説明の簡潔化のため、実質的に同一の構成要素には同じ参照符号を付して、重複する説明を省略する場合もある。図面は、理解し易くするために、それぞれの構成要素を主体に模式的に示す。図示された各構成要素の厚み、長さ、個数等は図面作成の都合上から、実際とは異なる。なお、以下の実施の形態で示す各構成要素の材質や形状、寸法等は一例であって特に限定されるものではなく、本発明の効果から実質的に逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００１８】
（実施の形態１）
以下、本発明にかかる実施の形態１について、図１及び図２を参照しながら説明する。
はじめに、図１及び図２を用いて本実施の形態１における圧接型パワー半導体装置の構成の概略について説明する。図１は本実施の形態１における圧接型パワー半導体装置の概略断面図であり、図２はその圧接型パワー半導体装置における接続部の拡大断面図である。
【００１９】
図１に示すように、この実施の形態１における圧接型パワー半導体装置１０は、パワー半導体チップ１１を備える。パワー半導体装置に使用される半導体チップは、パワーＭＯＳＦＥＴや、ＩＧＢＴ、サイリスタ、大容量ダイオードなどのパワー半導体チップが代表的である。半導体チップの構造は、縦型、横型に分類することができる。この実施の形態１では、パワー半導体チップ１１が縦型である場合について説明する。
【００２０】
パワー半導体チップ１１の表裏の各電極面（上下面）には、例えばＣｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）またはＡｕ（金）等からなる電極端子（図示せず）が形成されている。例えば、縦型のパワーＭＯＳＦＥＴでは、一方の電極面にドレイン電極端子が形成され、他方の電極面にソース電極端子とゲート電極端子が形成される。
【００２１】
この実施の形態１における圧接型パワー半導体装置１０において、パワー半導体チップ１１は、その下側に位置する下側電極板１２ｂの電極端子（図示せず）上に、導電性を有するダイボンド剤１６によって実装されており、圧接型パワー半導体装置１０は、パワー半導体チップ１１と下側電極板１２ｂとの間で電気及び熱が伝導する構成となっている。
【００２２】
電極部材の一例である下側電極板１２ｂの表面には、例えばＣｕまたはＡｌ等からなる電極端子（図示せず）が、パワー半導体チップ１１の下面に形成されている電極端子に対応して形成されており、その下側電極板１２ｂの電極端子が、パワー半導体チップ１１の下面に形成されている電極端子に、ダイボンド剤１６によって接合している。導電性を有する一般的なダイボンド剤１６は、はんだ材料、もしくは、Ａｇ（銀）またはＣｕなどの導電性粉末からなる導電性ナノペーストまたは導電性樹脂ペーストなどからなる。
【００２３】
一方、パワー半導体チップ１１の上側には、下側電極板１２ｂと共にパワー半導体チップ１１を挟む上側電極板１２ａが配置されている。電極部材の一例である上側電極板１２ａの表面にも、下側電極板１２ｂと同様に、電極端子（図示せず）が、パワー半導体チップ１１の上面に形成されている電極端子に対応して形成されている。その上側電極板１２ａの電極端子は、パワー半導体チップ１１の上面に形成されている電極端子に、熱伝導性及び導電性を有する接触中間材１５を介して圧接される。接触中間材１５については、後述する。このように、圧接型パワー半導体装置１０は、接触中間材１５を介して、パワー半導体チップ１１と上側電極板１２ａとの間で電気及び熱が伝導する構成となっている。
【００２４】
また、一対の電極板１２ａ、１２ｂの外側面（パワー半導体チップに対向する面とは反対側の面）には、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）等の絶縁性材料からなる一対の絶縁板１３ａ、１３ｂが、例えば銀ろう等を用いたろう付けなどによって接合されており、さらに、その一対の絶縁板１３ａ、１３ｂの外側面（電極板に対向する面とは反対側の面）には、ＣｕまたはＡｌ等の熱伝導性材料からなる一対の放熱板１４ａ、１４ｂが、例えば銀ろう等を用いたろう付けなどによって接合されている。
【００２５】
以上のように、圧接型パワー半導体装置１０は多層構造となっており、その多層構造を構成する各部材１１〜１６には、一対の放熱板１４ａ、１４ｂの外側面（絶縁板に対向する面とは反対側の面）から、図１に白抜き矢印１７に示すように、図示しない加圧装置によって所定の圧力が付与される。この所定の圧力により、上側電極板１２ａがパワー半導体チップ１１に圧接され、保持される。前述したように、パワー半導体チップ１１は縦型であるので、この圧接型パワー半導体装置１０における電気信号の流れは、例えば、上側電極板１２ａからパワー半導体チップ１１を通り、下側電極板１２ｂに取り出される、という流れとなる。
【００２６】
次に、パワー半導体チップ１１と上側電極板１２ａとの間に介在する接触中間材１５について、図２を参照して述べる。図２（ａ）に示すように、この実施の形態１における圧接型パワー半導体装置では、パワー半導体チップの電極面（上面）に形成されている電極端子２１と、電極部材である上側電極板の表面に形成されている電極端子２２とが対向して圧接される接続部において、両電極端子２１、２２間に接触中間材１５が介在しており、その接触中間材１５は、図２（ｂ）に示すように、パワー半導体チップの電極端子２１の表面に一方の端面（一方の端部の一部）が接合する複数本の導電性細線２３の集合体である。導電性細線２３は、熱伝導性及び導電性を有する物質からなり、好ましくは、電極端子２１の表面に垂直な方向に伸びている。
【００２７】
ここで、図１に示す圧接型パワー半導体装置１０において、パワー半導体チップ１１と上側電極板１２ａとが接続される接続部に接触中間材１５が存在する場合と存在しない場合とで、パワー半導体チップ１１と上側電極板１２ａとの間の電気抵抗（接触電気抵抗）及び熱抵抗（接触熱抵抗）を比較した検討例について述べる。
【００２８】
この検討例では、パワー半導体チップ１１の各電極面にＣｕ膜からなる表面粗さＲａが０．２μｍの電極端子を形成し、Ｃｕ製の電極板１２ａ、１２ｂの表面に、表面粗さＲａが０．０５μｍのＡｕ膜からなる電極端子を形成し、図示しない加圧装置により、一対の放熱板１４ａ、１４ｂの外側面からパワー半導体チップ１１に圧力３０ｋｇｆ／ｃｍ２を与えた。また、接触中間材１５として、直径２μｍ、長さ６μｍのＣｕ製の導電性細線２３を複数本、隣接する導電性細線２３間の距離が平均で約０．８μｍとなるように均一に形成した。表１に、接触中間材１５が存在する場合と存在しない場合の電気抵抗（接触電気抵抗）及び熱抵抗（接触熱抵抗）の相対比較値を示す。
【００２９】
【表１】
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表１に示すように、パワー半導体チップ１１の電極端子２１と上側電極板１２ａの電極端子２２との間に導電性細線２３が介在する場合の方が、導電性細線２３が介在しない場合よりも、電気抵抗と熱抵抗を共に低減することができた。
【００３０】
これは、パワー半導体チップ１１と上側電極板１２ａとの間に導電性細線２３が介在しない場合、上側電極板１２ａをパワー半導体チップ１１に圧接しても、パワー半導体チップ１１の電極端子２１の表面と上側電極板１２ａの電極端子２２の表面との間に、それらの各表面の凹凸やうねりに起因する隙間ができることによって、電極端子２１、２２同士の接触面積が小さくなるため、パワー半導体チップ１１と上側電極板１２ａとの間の電気抵抗及び熱抵抗が共に大きくなる一方で、導電性細線２３が介在する場合には、パワー半導体チップ１１の電極端子２１と上側電極板１２ａの電極端子２２の各表面の凹凸やうねりによる隙間が発生していても、柔軟に折れ曲がることによりその高さが調整される導電性細線２３によって、両電極端子２１、２２間が埋められ、それによって電気抵抗及び熱抵抗が共に低減されるためである。
【００３１】
また、均一に導電性細線２３を形成しているので、接触中間材が導電性を有する粒子部材からなる場合に発生していた接触中間材の偏在が発生することはなく、安定して、かつ再現性良く、パワー半導体チップ１１と上側電極板１２ａとの間の電気抵抗および熱抵抗を低減することができる。
【００３２】
また、導電性細線２３の直径は１μｍ以上かつ１０μｍ以下が望ましい。これは、１μｍよりも直径が細い導電性細線２３はすぐに倒れてしまい、１０μｍよりも直径が太い導電性細線２３は柔軟性が低過ぎ、いずれも、導電性細線２３と上側電極板１２ａの電極端子２２との安定した接触に対する障害となるためである。さらに、導電性細線２３の長さは２μｍ以上かつ２０μｍ以下が望ましい。これも、２μｍよりも短い導電性細線は柔軟性が低過ぎ、２０μｍよりも長い導電性細線はすぐに倒れてしまい、いずれも、導電性細線２３と上側電極板１２ａの電極端子２２との安定した接触に対する障害となるためである。また、導電性細線２３は、その直径に比べて長さが長いのが好適である。これも、導電性細線２３の柔軟性が低くなり過ぎないようにするためである。
【００３３】
なお、導電性細線２３の断面形状は円形に限定されるものではなく、四角形など他の形状であっても構わない。導電性細線２３の断面形状が円形以外の形状であっても、導電性細線２３の断面の最大径は、１μｍ以上かつ１０μｍ以下が望ましく、導電性細線２３の長さは２μｍ以上かつ２０μｍ以下が望ましく、また、導電性細線２３は、その最大径に比べて長さが長いのが好適である。
【００３４】
また、導電性細線２３の材料はＣｕに限定されるものではなく、熱伝導性及び導電性を有する材料であればよい。例えば、導電性細線２３の材料として、Ａｕ、Ａｇ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃ、Ｐｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、半田合金又はこれらのうちの２種以上からなる混合物から選択された物質を用いることができる。
【００３５】
続いて、圧接型パワー半導体装置１０の製造方法の一例について説明する。但し、圧接型パワー半導体装置１０は、以下で説明する方法以外の方法で製造しても構わない。
【００３６】
まず、パワー半導体チップ１１の電極端子２１上に複数本の導電性細線２３を形成する。導電性細線２３は、例えば図３に示すプロセスによって形成することができる。図３はＣｕ製の導電性細線２３の形成方法の一例を示す工程別断面図である。
【００３７】
Ｃｕ製の導電性細線２３をパワー半導体チップ１１の電極端子２１上に形成する際には、まず、図３（ａ）に示すように、パワー半導体チップ１１の電極端子２１の表面に、フォトレジスト３１を所望の膜厚となるように塗布する。
【００３８】
次に、図３（ｂ）に示すように、図示しないフォトマスクを介してフォトレジスト３１に紫外線光を照射して、フォトレジスト３１を露光し、導電性細線２３を形成する予定の位置（所定の位置）に所望の直径の貫通孔３２を形成する。これにより、パワー半導体チップ１１の電極端子２１上に、複数個の貫通孔３２を有するマスク材が形成される。
【００３９】
次に、図３（ｃ）に示すように、スパッタ法にて、貫通孔３２の底から露出する電極端子２１の表面およびフォトレジスト３１の表面（貫通孔３２の内側面を含む）にＣｕ箔膜２３ａを成膜する。
【００４０】
次に、図３（ｄ）に示すように、成膜したＣｕ箔膜２３ａをシード層として、電気めっき処理を行うことにより、厚いＣｕ膜２３ｂを形成する。このとき、フォトレジスト３１の貫通孔３２に、熱伝導性及び導電性を有する物質の一例であるＣｕが充填される。
【００４１】
最後に、図３（ｅ）に示すように、リフトオフ法によってフォトレジスト（マスク材の一例）３１を除去することにより、Ｃｕ製の導電性細線２３が形成される。
【００４２】
以上のようにして導電性細線２３を形成する一方で、上側電極板１２ａと絶縁板１３ａと放熱板１４ａを、例えば銀ろうを用いて、予め、ろう付けしておく。同様に、下側放熱板１２ｂと絶縁板１３ｂと放熱板１４ｂを、例えば銀ろうを用いて、予め、ろう付けしておく。その後、パワー半導体チップ１１を、放熱板１４ｂと絶縁板１３ｂが接合された下側電極板１２ｂ上の所定の位置にダイボンドし、パワー半導体チップ１１上に、放熱板１４ａと絶縁板１３ａが接合された上側電極板１２ａを位置合わせして載置し、加圧装置によって、上側電極板１２ａをパワー半導体チップ１１に接触中間材１５（複数本の導電性細線２３）を介して圧接させて、保持することで、図１に示す圧接型パワー半導体装置１０が完成する。
【００４３】
なお、この実施の形態１では、縦型のパワー半導体チップ１１を例としたが、横型のパワー半導体チップであっても、同様に実施することができる。これは、以下で詳述する実施の形態２〜７においても同様である。
【００４４】
また、この実施の形態１では、放熱板１４ａ、１４ｂと絶縁板１３ａ、１３ｂとの間及び絶縁板１３ａ、１３ｂと電極板１２ａ、１２ｂとの間が接合されている構成の圧接型パワー半導体装置１０について説明したが、放熱板１４ａ、１４ｂと絶縁板１３ａ、１３ｂとの間及び絶縁板１３ａ、１３ｂと電極板１２ａ、１２ｂとの間の全部ないしは何れかが圧接されていてもよい。これは、以下で詳述する実施の形態２〜７においても同様である。
【００４５】
（実施の形態２）
以下、本発明にかかる実施の形態２について、図４を参照しながら説明する。図４（ａ）は本実施の形態２における圧接型パワー半導体装置１０の概略断面図であり、図４（ｂ）は半導体チップ１１の上面に形成されている電極端子２１に接合する接触中間材１５（導電性細線２３）の拡大断面図である。なお、前述した実施の形態１で説明した構成要素と実質的に同一の構成要素には、実施の形態１で説明した構成要素と同じ参照符号を付して、その説明は省略する。
【００４６】
図４（ａ）に示すように、圧接型パワー半導体装置１０は多層構造となっており、その多層構造を構成する各部材１１〜１６には、一対の放熱板１４ａ、１４ｂの外側面から、図４（ａ）の白抜き矢印１７に示すように、加圧装置の一例であるボルト４１によって所定の圧力が付与される。
【００４７】
この実施の形態２における圧接型パワー半導体装置１０では、加圧装置の一例として、一対の電極板１２ａ、１２ｂを互いに近付く方向に締め付けるボルト４１が使用されている。具体的には、パワー半導体チップ１１の上側に配置される放熱板１４ａ及び絶縁板１３ａには、複数本のボルト４１を通すための複数の穴４２が形成されている。その複数の穴４２は、好適には、パワー半導体チップ１１の投影面の中心に対して点対称となる位置に形成される。一方、パワー半導体チップ１１の下側に配置される放熱板１４ｂ及び絶縁板１３ｂには、放熱板１４ａ及び絶縁板１３ａに形成されたボルト用の穴４２に対応する位置にネジ穴４３が切られている。この構成により、複数本のボルト４１が締められると、上側電極板１２ａがパワー半導体チップ１１に圧接され、保持される。
【００４８】
また、この実施の形態２における圧接型パワー半導体装置１０では、ボルト４１が、パワー半導体チップ１１の投影面の外側の位置で、上側電極板１２ａをパワー半導体チップ１１に圧接させる圧力を発生させる構成となっている。この場合、加圧装置（ボルト）４１によって上側電極板１２ａが凸形状に反るため、パワー半導体チップ１１の上面の電極端子２１に接合する複数本の導電性細線２３は、それらの長さが、パワー半導体チップ１１の投影面の中心から、その投影面の周辺部に向かって遠ざかるにつれて、順次、短くなるように形成するのが好適である。例えば、パワー半導体チップ１１の上面の中心と同じ位置に電極端子２１の中心がある場合、図４（ｂ）に示すように、パワー半導体チップ１１の中心部から、パワー半導体チップ１１の外周部に向かって遠ざかるつれて、順次、長さが短くなるように、複数本の導電性細線２３を形成する。つまり、この場合、接触中間材１５の切断面形状を、中心が高く、周囲が低い、なだらかな正規分布曲線に近い形状としてもよい。このようにすれば、上側電極板１２ａの凸状の反りに従って導電性細線２３の高さを揃えることができ、導電性細線２３と上側電極板１２ａの電極端子とのより安定した接触を実現できる。
【００４９】
なお、この実施の形態２においては、加圧装置として、一対の電極板１２ａ、１２ｂを互いに近づく方向へ締め付けるボルト４１を採用したが、加圧装置は、例えば、一対の電極板１２ａ、１２ｂを互いに近づく方向へ締め付けるボルトに、そのボルトの鍔部と放熱板１４ａの外側面との間に介在して、上側電極板１２ａをパワー半導体チップ１１へ付勢する付勢力を発生するバネを併用した構成など、他の構成であっても構わない。
【００５０】
（実施の形態３）
以下、本発明にかかる実施の形態３について、図５を参照しながら説明する。図５（ａ）は本実施の形態３における圧接型パワー半導体装置１０の概略断面図であり、図５（ｂ）はその圧接型パワー半導体装置１０における接続部の拡大断面図である。なお、前述した実施の形態１および２で説明した構成要素と実質的に同一の構成要素には、実施の形態１および２で説明した構成要素と同じ参照符号を付して、その説明は省略する。
【００５１】
図５（ｂ）に示すように、この実施の形態３では、パワー半導体チップ１１と上側電極板１２ａとの間に介在する接触中間材１５が、上側電極板１２ａの電極端子２２の表面に一方の端面（一方の端部の一部）が接合する複数本の導電性細線５１の集合体である。この導電性細線５１は、前述した導電性細線２３とは、一方の端面（一方の端部の一部）が接合する部材がパワー半導体チップ１１ではなく上側電極板１２ａである点のみが異なり、好ましくは、上側電極板１２ａの電極端子２２の表面から垂直な方向に伸びている。
【００５２】
前述した導電性細線２３は、パワー半導体チップ１１上に形成していたので、その導電性細線２３の形成プロセスにおいて、パワー半導体チップ１１に対し、フォトリソ工程や電解めっき工程での化学的なダメージや、スパッタ工程での物理的なダメージを与えていた。これに対し、この実施の形態３によれば、そのようなダメージをパワー半導体チップ１１に与えずに済み、パワー半導体チップ１１の故障の原因を減らすことができるので、より生産性の高い圧接型パワー半導体装置１０を実現することができる。
【００５３】
（実施の形態４）
以下、本発明にかかる実施の形態４について、図６を参照しながら説明する。図６（ａ）は本実施の形態４における圧接型パワー半導体装置１０の概略断面図であり、図６（ｂ）は上側電極板１２ａに形成されている電極端子２２に接合する接触中間材１５（導電性細線５１）の拡大断面図である。なお、前述した実施の形態１ないし３で説明した構成要素と実質的に同一の構成要素には、実施の形態１ないし３で説明した構成要素と同じ参照符号を付して、その説明は省略する。
【００５４】
図６（ａ）に示すように、この実施の形態４における圧接型パワー半導体装置１０は、前述した実施の形態２と同様に、多層構造となっており、その多層構造を構成する各部材１１〜１６に、一対の放熱板１４ａ、１４ｂの外側面から、白抜き矢印１７に示すように、加圧装置の一例であるボルト４１によって所定の圧力が付与されて、上側電極板１２ａがパワー半導体チップ１１に圧接され、保持される構成となっている。また、図６（ｂ）に示すように、この実施の形態４では、前述した実施の形態３と同様に、接触中間材１５が、上側電極板１２ａの電極端子２２の表面に一方の端面が接合する複数本の導電性細線５１の集合体である。
【００５５】
この構成によれば、前述した実施の形態３と同様に、パワー半導体チップ１１に対し、フォトリソ工程や電解めっき工程での化学的なダメージや、スパッタ工程での物理的なダメージを与えずに済み、パワー半導体チップ１１の故障の原因を減らすことができる。
【００５６】
また、この実施の形態４における圧接型パワー半導体装置１０では、ボルト４１が、パワー半導体チップ１１の投影面の外側の位置で、上側電極板１２ａをパワー半導体チップ１１に圧接させる圧力を発生させる構成となっている。この場合、加圧装置（ボルト）４１によって上側電極板１２ａが凸形状に反るため、上側電極板１２ａの電極端子２２に接合する複数本の導電性細線５１は、それらの長さが、パワー半導体チップ１１の投影面の中心から、その投影面の周辺部に向かって遠ざかるにつれて、順次、短くなるように形成するのが好適である。例えば、パワー半導体チップ１１の上面の中心と同じ位置に電極端子２２の中心がある場合、図６（ｂ）に示すように、パワー半導体チップ１１の中心部から、パワー半導体チップ１１の外周部に向かって遠ざかるつれて、順次、長さが短くなるように、複数本の導電性細線５１を形成する。つまり、この場合、接触中間材１５の切断面形状を、中心が高く、周囲が低い、なだらかな正規分布曲線に近い形状としてもよい。このようにすれば、上側電極板１２ａの凸状の反りに従って導電性細線５１の高さを揃えることができ、導電性細線５１とパワー半導体チップ１１の電極端子とのより安定した接触を実現できる。
【００５７】
よって、この実施の形態４によれば、より生産性の高い圧接型パワー半導体装置１０を実現することができる。
【００５８】
なお、この実施の形態４においても、前述した実施の形態２と同様に、加圧装置としてボルト４１を採用したが、加圧装置は、例えば、一対の電極板１２ａ、１２ｂを互いに近づく方向へ締め付けるボルトに、そのボルトの鍔部と放熱板１４ａの外側面との間に介在して、上側電極板１２ａをパワー半導体チップ１１へ付勢する付勢力を発生するバネを併用した構成など、他の構成であっても構わない。
【００５９】
（実施の形態５）
以下、本発明にかかる実施の形態５について、図７及び図８を参照しながら説明する。なお、前述した実施の形態１ないし４で説明した構成要素と実質的に同一の構成要素には、実施の形態１ないし４で説明した構成要素と同じ参照符号を付して、その説明は省略する。
【００６０】
図７（ａ）は本実施の形態５における圧接型パワー半導体装置１０の概略断面図であり、図７（ｂ）はその圧接型パワー半導体装置１０における接続部の拡大断面図である。図７（ｂ）に示すように、この実施の形態５では、パワー半導体チップ１１と上側電極板１２ａとの間に介在する接触中間材１５が、パワー半導体チップ１１の上面に形成されている電極端子２１の表面に一方の端面（一方の端部の一部）が接合する複数本の導電性細線２３の集合体からなる第１接触中間材と、上側電極板１２ａに形成されている電極端子２２の表面に一方の端面（一方の端部の一部）が接合する複数本の導電性細線５１の集合体からなる第２接触中間材とで構成されている。これにより、接触中間材１５を高密度化することができるので、パワー半導体チップ１１の電極端子２１と上側電極板１２ａの電極端子２２との間の電気抵抗及び熱抵抗を、より低減することができる。
【００６１】
また、パワー半導体チップ１１の電極端子２１及びその電極端子２１に接続する上側電極板１２ａの電極端子２２の両方の電極端子上に導電性細線を形成する場合、図８に示すように、パワー半導体チップ１１の電極端子２１に接合する複数本の導電性細線２３のそれぞれが、上側電極板１２ａの電極端子２２に接合する複数本の導電性細線５１のうちの隣接する導電性細線５１間の隙間に位置するように、導電性細線２３と導電性細線５１を形成するのが好ましい。
【００６２】
このようにすれば、パワー半導体チップ１１の電極端子２１に接合している導電性細線２３が、上側電極板１２ａの電極端子２２に接合している導電性細線５１に支えられるので、導電性細線２３が途中で折れ曲がり、上側電極板１２ａの電極端子２２に接触せずに、熱や電気の伝導に寄与しなくなる事態を防ぐことができ、接触中間材１５が、より安定して熱や電気を伝導できるようになる。この機能を実現するためには、図８に示すように、導電性細線２３の直径Ａが、隣接する導電性細線５１間の隙間の長さＢよりも小さくなることが望ましい。さらには、導電性細線２３の中心軸が、隣接する導電性細線５１間の中間またはその近傍に位置することが望ましい。
【００６３】
なお、導電性細線２３と導電性細線５１の関係を入れ替えて、上側電極板１２ａの電極端子２２に接合する複数本の導電性細線５１のそれぞれが、パワー半導体チップ１１の電極端子２１に接合する複数本の導電性細線２３のうちの隣接する導電性細線２３間の隙間に位置するように、導電性細線２３と導電性細線５１を形成しても構わない。
【００６４】
（実施の形態６）
以下、本発明にかかる実施の形態６について、図９を参照しながら説明する。図９（ａ）は本実施の形態６における圧接型パワー半導体装置１０の概略断面図であり、図９（ｂ）は上側電極板１２ａに形成されている電極端子２２の表面に接合する接触中間材１５（複数本の導電性細線５１の集合体）の拡大断面図であり、図９（ｃ）はパワー半導体チップ１１の上面に形成されている電極端子２１の表面に接合する接触中間材１５（複数本の導電性細線２３の集合体）の拡大断面図である。なお、前述した実施の形態１ないし５で説明した構成要素と実質的に同一の構成要素には、実施の形態１ないし５で説明した構成要素と同じ参照符号を付して、その説明は省略する。
【００６５】
図９（ａ）に示すように、この実施の形態６における圧接型パワー半導体装置１０は、前述した実施の形態２および４と同様に、多層構造となっており、その多層構造を構成する各部材１１〜１６に、一対の放熱板１４ａ、１４ｂの外側面から、白抜き矢印１７に示すように、加圧装置の一例であるボルト４１によって所定の圧力が付与されて、上側電極板１２ａがパワー半導体チップ１１に圧接され、保持される構成となっている。また、図９（ｂ）および図９（ｃ）に示すように、この実施の形態６では、前述した実施の形態５と同様に、接触中間材１５が、上側電極板１２ａの電極端子２２の表面に一方の端面が接合する複数本の導電性細線５１の集合体からなる第２接触中間材と、パワー半導体チップ１１の電極端子２１の表面に一方の端面が接合する複数本の導電性細線２３の集合体からなる第１接触中間材とで構成される。
【００６６】
この構成によれば、前述した実施の形態５と同様に、接触中間材１５を高密度化することができるので、パワー半導体チップ１１の電極端子２１と上側電極板１２ａの電極端子２２との間の電気抵抗及び熱抵抗を、より低減することができる。
【００６７】
また、この実施の形態６における圧接型パワー半導体装置１０では、ボルト４１が、パワー半導体チップ１１の投影面の外側の位置で、上側電極板１２ａをパワー半導体チップ１１に圧接させる圧力を発生させる構成となっている。この場合、加圧装置（ボルト）４１によって上側電極板１２ａが凸形状に反るため、上側電極板１２ａの電極端子２２に接合する複数本の導電性細線５１と、パワー半導体チップ１１の電極端子２１に接合する複数本の導電性細線２３は、共に、それらの長さが、パワー半導体チップ１１の投影面の中心から、その投影面の周辺部に向かって遠ざかるにつれて、順次、短くなるように形成するのが好適である。例えば、パワー半導体チップ１１の上面の中心と同じ位置に電極端子２２および電極端子２１のそれぞれの中心がある場合、図９（ｂ）および図９（ｃ）に示すように、パワー半導体チップ１１の中心部から、パワー半導体チップ１１の外周部に向かって遠ざかるつれて、順次、長さが短くなるように、複数本の導電性細線５１および複数本の導電性細線２３を形成する。つまり、この場合、複数本の導電性細線５１の集合体からなる第２接触中間材の切断面形状と、複数本の導電性細線２３の集合体からなる第１接触中間材の切断面形状を、共に、中心が高く、周囲が低い、なだらかな正規分布曲線に近い形状としてもよい。このようにすれば、上側電極板１２ａの凸状の反りに従って導電性細線５１および導電性細線２３のそれぞれの高さを揃えることができ、導電性細線５１とパワー半導体チップ１１の電極端子２１との接触、および、導電性細線２３と上側電極板１２ａの電極端子２２との接触を、より安定させることができる。
【００６８】
よって、この実施の形態６によれば、より生産性の高い圧接型パワー半導体装置１０を実現することができる。
【００６９】
なお、この実施の形態６においても、前述した実施の形態２および４と同様に、加圧装置としてボルト４１を採用したが、加圧装置は、例えば、一対の電極板１２ａ、１２ｂを互いに近づく方向へ締め付けるボルトに、そのボルトの鍔部と放熱板１４ａの外側面との間に介在して、上側電極板１２ａをパワー半導体チップ１１へ付勢する付勢力を発生するバネを併用した構成など、他の構成であっても構わない。
【００７０】
（実施の形態７）
以下、本発明にかかる実施の形態７について、図１０を参照しながら説明する。図１０は本実施の形態７における圧接型パワー半導体装置１０の概略断面図である。なお、前述した実施の形態１ないし６で説明した構成要素と実質的に同一の構成要素には、実施の形態１ないし６で説明した構成要素と同じ参照符号を付して、その説明は省略する。
【００７１】
図１０に示すように、パワー半導体チップ１１の下面に形成されている電極端子（図示せず）と下側電極板１２ｂに形成されている電極端子（図示せず）とが、ダイボンド剤によって接合されるのではなく、複数本の導電性細線の集合体である接触中間材１５を介して圧接される構造の圧接型パワー半導体装置１０としても構わない。この構造によれば、パワー半導体チップ１１の下面と下側放熱板１２ｂとが接続される接続部においても、応力を緩和できるようになり、より寿命の長い信頼性の高い圧接型パワー半導体装置を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明にかかる半導体装置及びその製造方法は、半導体チップと電極部材間の電気抵抗および熱抵抗を共に、安定して、再現性良く低減することができ、パワー半導体装置に有用である。
【符号の説明】
【００７３】
１０      圧接型パワー半導体装置
１１      パワー半導体チップ
１２ａ    上側電極板
１２ｂ    下側電極板
１３ａ、１３ｂ    絶縁板
１４ａ、１４ｂ    放熱板
１５      接触中間材
１６      ダイボンド剤
２１      パワー半導体チップの電極端子
２２      上側電極板の電極端子
２３、５１      導電性細線
２３ａ    Ｃｕ箔膜
２３ｂ    Ｃｕ膜
３１      フォトレジスト
３２      貫通孔
４１      ボルト
４２      穴
４３      ネジ穴
１１１    発熱素子
１１２ａ、１１２ｂ  電極板
１１３ａ、１１３ｂ  絶縁板
１１４ａ、１１４ｂ  放熱板
１１５ａ、１１５ｂ  接触中間材
１２１    発熱素子の電極端子
１２２    電極板の電極端子
１２３    隙間
１２４    粒子部材
【図１】
2013197221.tif 000004
【図２】
2013197221.tif 000005
【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】
2013197221.tif 000011
【図９】
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【図１０】
2013197221.tif 000013
【図１１】
2013197221.tif 000014
【図１２】
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