(57)【要約】【課題】複数の半導体素子を搭載した半導体装置を効率よく製造できるとともに、信頼性が高い接合が可能なリード端子および半導体装置を得ることを目的とする。【解決手段】リード端子５１は、平坦状の主導電部５１ｍと、主導電部５１ｍに対して面の垂直方向（ｚ）に所定の間隔をあけるとともに、面の延在方向（ｘｙ）の所定位置にそれぞれ形成され、複数の半導体素子２、３のそれぞれの表側の電極２ｓ、３ａに対向するように配置される接合面Ｐ５１を有する接合面部５１ｊと、主導電部５１ｍとそれぞれの接合面Ｐ５１間に加えた圧力に応じて、それぞれの接合面Ｐ５１と主導電部５１ｍとの平行を維持しながら、当該接合面Ｐ５１と主導電部５１ｊ間の間隔が変化するように接合面部５１ｊのそれぞれと主導電部５１ｍとを連結する連結部５１ｆと、を備えた。【選択図】図２
2013131592.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の主面に複数の半導体素子が配置された半導体装置に用いられ、前記複数の半導体素子のそれぞれの表側の電極と外部回路とを電気接続するためのリード端子であって、
平坦状の主導電部と、
前記主導電部に対して面の垂直方向に所定の間隔をあけるとともに、面の延在方向の所定位置にそれぞれ形成され、前記複数の半導体素子のそれぞれの表側の電極に対向するように配置される接合面を有する接合面部と、
前記主導電部とそれぞれの接合面間に加えた圧力に応じて、当該接合面と前記主導電部との平行を維持しながら、当該接合面と前記主導電部間の間隔が変化するように前記接合面部のそれぞれと前記主導電部とを連結する連結部と、
を備えたことを特徴とするリード端子。
【請求項２】
前記連結部のそれぞれには、当該連結部が連結する接合面部の中心を通る当該接合面部に垂直な軸を挟むように、前記圧力に応じて変形する変形部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のリード端子。
【請求項３】
前記連結部および前記接合面部は、それぞれ前記主導電部から延在する板材を折り曲げて形成したものであることを特徴とする請求項１または２に記載のリード端子。
【請求項４】
前記連結部および前記接合面部は、それぞれ前記主導電部の面内の所定位置に可撓性部材を介して板材を接合して形成したものであることを特徴とする請求項１または２に記載のリード端子。
【請求項５】
前記可撓性部材は、前記軸を囲むように旋回するコイル材であることを特徴とする請求項４に記載のリード端子。
【請求項６】
前記可撓性部材は、多孔金属からなる柱状材であることを特徴とする請求項４に記載のリード端子。
【請求項７】
基板と、
前記基板の主面に裏側の電極が接合された複数の半導体素子と、
前記複数の半導体素子のそれぞれの表側の電極に前記接合面が接合された請求項１ないし６のいずれか１項に記載のリード端子と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
前記表側の電極と前記接合面との接合が焼結接合技術により行われたことを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記表側の電極と前記接合面との接合が金属間化合物接合技術により行われたことを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記縦型半導体素子がワイドバンドギャップ半導体材料により形成されていることを特徴とする請求項７ないし９のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料、およびダイヤモンド、のうちのいずれかであることを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に実装された複数の半導体素子に対してまとめて電気接続を行うリード端子およびこれを用いた半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
モータのインバータ制御などに用いられる電力変換用の半導体装置には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect-Transistor）などの縦型半導体素子が搭載されている。半導体素子の表裏面には金属メタライズによる電極が形成されており、一般的な半導体装置の場合、半導体素子の裏面電極が基板に、表面電極には配線部材がそれぞれ電気接続されている。とくに大電流にて動作する半導体装置では、ボンディングワイヤよりも断面積の大きなリード端子を用い、表面電極にはんだを用いて接合する場合が多い。
【０００３】
このような接合を効率よく行うため、基板上に搭載した複数の半導体素子の表面電極に対して配線板を一括してはんだ付けする半導体装置の製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。一方、近年の産業機器や電鉄、自動車等の技術発展に伴って半導体装置には動作温度上限の拡大が期待されており、特に、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）のようなバンドギャップの大きな材料を用いた高温動作が可能な半導体素子が開発されている。そのため、半導体素子周辺の構成部材に対しても同様に高耐熱化が求められており、はんだのような融点の低い材料を用いる接合技術よりも耐熱性の高い接合技術が求められている。
【０００４】
そこで、はんだに代わる高耐熱接合技術として、ナノ粒子の焼結性を利用した焼結接合技術（例えば、特許文献２または３参照。）や、高耐熱な化合物層を積極的に利用したＩＭＣ（金属間化合物：Inter Metallic Compound）接合技術（例えば、特許文献４参照。）などが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２２４５５０号公報（段落００３８〜００７１図３〜図１３）
【特許文献２】特開２００７−２１４３４０号公報（段落００１３〜００２０、００２４、図３）
【特許文献３】特開２００７−４４７５４号公報（段落００１２〜００１５、図１、図２）
【特許文献４】特開２００９−２９０００７号公報（段落００１８〜００３９、図１〜図３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、はんだ接合と異なり、焼結接合技術や金属間化合物接合技術といった耐熱性の高い接合技術では、接合の際に被接合材間に所定の圧を印加する必要がある。そのため、基板上に搭載された複数の半導体素子の高さにばらつきがある場合、複数の半導体素子に対して剛性のあるリードフレームを一括して接合しようとすると、素子による接合状態のばらつきが生じ、接合部の信頼性が低下するという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、複数の半導体素子を搭載した半導体装置を効率よく製造できるとともに、信頼性が高い接合が可能なリード端子およびこれを用いた半導体装置を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のリード端子は、基板の主面に複数の半導体素子が配置された半導体装置に用いられ、前記複数の半導体素子のそれぞれの表側の電極と外部回路とを電気接続するためのリード端子であって、平坦状の主導電部と、前記主導電部に対して面の垂直方向に所定の間隔をあけるとともに、面の延在方向の所定位置にそれぞれ形成され、前記複数の半導体素子のそれぞれの表側の電極に対向するように配置される接合面を有する接合面部と、前記主導電部とそれぞれの接合面間に加えた圧力に応じて、当該接合面と前記主導電部との平行を維持しながら、当該接合面と前記主導電部間の間隔が変化するように前記接合面部のそれぞれと前記主導電部とを連結する連結部と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のリード端子によれば、加えた力に応じて、平行を維持しながら接合面の高さを変化させるので、高さむらがある複数の素子に対して適切な圧力をかけて接合することができる、効率よく製造できるとともに、信頼性が高い接合が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１にかかるリード端子およびこれを用いた半導体装置の構成を説明するための部分平面図と断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかるリード端子の構成を説明するための斜視図、断面図および平面図である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の製造方法を説明するために工程に応じた半導体装置の状態を示した側面図である。
【図４】本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態１の変形例にかかるリード端子の構成を説明するための斜視図、断面図および平面図である。
【図６】本発明の実施の形態２にかかるリード端子およびこれを用いた半導体装置の構成を説明するための部分平面図と断面図である。
【図７】本発明の実施の形態２にかかる半導体装置の製造方法を説明するために工程に応じた半導体装置の状態を示した側面図である。
【図８】本発明の実施の形態２にかかる半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図９】本発明の実施の形態３にかかる半導体装置の製造方法を説明するために工程による半導体装置の状態を示した側面図である。
【図１０】本発明の実施の形態３にかかる半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１〜図４は、本発明の実施の形態１にかかるリード端子およびこれを用いた半導体装置について説明するためのものであって、図１は半導体装置から封止体を除いた状態を仮定したもので、図１（ａ）は部分平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線による部分断面図である。図２は半導体装置に用いるリードフレームに形成されたリード端子のうちのひとつのリード端子（ソース端子）の構成を示すもので、図２（ａ）はリード端子の半導体素子との接合面を含む部分の斜視図、図２（ｂ）は図２（ａ）の部分断面図、図２（ｃ）は図２（ａ）の領域Ｃ部分の平面図である。図３は製造方法を説明するための工程に応じた半導体装置の状態を示す側面図であり、図４は製造方法を説明するためのフローチャートである。また、図５は変形例にかかるリード端子の構成を説明するためのもので、変形例ごとのリード端子の主導電部から接合面部にかけての連結部を含む部分の側面図、あるいは側面図と接合面部側から見た透過図の組み合わせである。
【００１２】
本発明の実施の形態１にかかるリード端子は、基板に配置された複数の半導体素子の表面電極に対する接合面のそれぞれが、加えられた圧力に応じて、主導電部に対して平行移動するものである。そして、半導体装置は上記構造のリード端子を用いることで、複数の半導体素子の表面電極に一括してリード端子を接合したものである。以下、図を用いて説明する。
【００１３】
半導体装置１は、図１に示すように、基板４の主面上に複数の縦型半導体素子２、３が搭載されるとともに、各半導体素子が圧力に応じて接合面Ｐ５１が平行移動するリード端子５１により電気接続されたものである。本実施の形態１および以降の実施の形態においては、複数の縦型半導体素子２、３として、２個のスイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ）２と２個の整流素子（ＳＢＤ：Schottky diode）３を用いて２×２配列した例について説明する。２個のスイッチング素子２のそれぞれ裏面に設けたドレイン電極２ｄと、２個の整流素子３のそれぞれ裏面に設けたカソード電極３ｃとが、基板４に焼結性接合材料を用いた焼結接合部８を介して接合（電気接続）されている。そして、スイッチング素子２の表面に設けたソース電極２ｓおよび整流素子３の表面に設けたアノード電極３ａは、それぞれ、リードフレーム５に形成されたリード端子のうち、平坦状の主導電部５１ｍに可撓性の連結部５１ｆを介して接合面部５１ｊが連結されたソース端子５１に接合されている。
【００１４】
このとき、ソース電極２ｓおよびアノード電極３ａと接合面Ｐ５１とを焼結接合部８によって直接接合してもよいが、後述するように接合性の向上のために、本実施の形態においては、導電性金属板（導電板）７を間に入れて接合するようにしている。つまり、ソース電極２ｓと導電板７とを焼結接合部８を介して接合するとともに、導電板７と接合面Ｐ５１とを焼結接合部８を介して接合することにより、ソース電極２ｓとソース端子５１とを電気接続している。同様に、アノード電極３ａと導電板７とを焼結接合部８を介して接合するとともに、導電板７と接合面Ｐ５１とを焼結接合部８を介して接合することにより、アノード電極３ａとソース端子５１とを電気接続している。
【００１５】
なお、上記電気接続においては、基本的に同じ焼結性接合材料を用いて焼結接合部８を構成したが、後述する製造方法において区別するため、基板４と半導体素子２、３の裏面電極との接合部を８ａ、半導体素子２、３の表面電極と導電板７との接合部を８ｂ、導電板７とソース端子５１の接合面Ｐ５１との接合部を８ｃと称して区別する。
【００１６】
スイッチング素子２のゲート電極２ｇは、リードフレーム５に形成された制御端子５３とボンディングワイヤ６により接続されている。また、リードフレーム５に形成されたドレイン端子５２は、基板４と超音波接合技術により接続されている。そして、基板４の半導体素子２、３が接合された面の反対側に形成された放熱面を除き、全体が封止樹脂９によって封止されている。
【００１７】
半導体素子２、３を構成する材料としては、シリコンウエハを基材とした一般的な素子材料でも良いが、本発明においては炭化ケイ素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）、またはダイヤモンドといったシリコンと較べてバンドギャップが広い、いわゆるワイドバンドギャップ半導体材料を用いたときの効果が高く、特に顕著な効果が期待できる炭化ケイ素を用いた。
【００１８】
焼結接合部８を形成する焼結性接合材料は、ナノメーターレベルの金属微粒子（金属ナノ粒子）の反応性により、その金属がバルクで示す融点よりも低い温度で焼結する現象を利用したものである。しかし、金属ナノ粒子は、その反応性の高さから、常温でも接触するだけで焼結が進行する。そのため、焼結性接合材料では、金属ナノ粒子が凝集して焼結反応が進行するのを抑制するため、金属ナノ粒子間を独立した状態で分散保持するための有機分散材によって保持されている。さらに、接合工程において焼結反応を生じさせるため、加熱により有機分散材と反応して金属ナノ粒子を裸にする分散材捕捉材と、分散材と分散材捕捉材との反応物質を捕捉して揮散する揮発性有機成分等が添加されている。つまり、焼結性接合材料は、骨材たる金属ナノ粒子が有機成分中に分散されてペースト状になったもの（ペースト８Ｐと称する）であり、ペースト８Ｐを所望の被接合部材間に供給し、加熱することで焼結接合を達成するものである。
【００１９】
このとき、ペースト８Ｐ中の有機成分の分解とナノ粒子の焼結によって、接合後の焼結接合部８の体積は、初期のペースト時の体積に対して約半分程度に減少する。そのため、ボイドの少ない信頼性の高い焼結接合部８を得るためには、接合時に所定の圧を印加しながら加熱しなければならない。したがって、大電流に対応するため、ワイヤなどと比較して板厚の厚い（断面積の大きな）リードフレーム５のような配線材料を複数の半導体素子に同時に接合する場合に、素子による高さばらつきを補償して加圧できるようにする必要がある。そこで、本実施の形態に示すように、圧力に応じて接合面Ｐ５１を主導電部５１ｍ側に平行移動できるように接合面部５１ｊを主導電部５１ｍに連結する可撓性の連結部５１ｆで連結したリード端子構造が必要となる。
【００２０】
ソース端子５１の主導電部５１ｍから接合面部５１ｊにかけての構成、つまり連結部５１ｆの構成について図２を用いて説明する。ソース端子５１には、２×２配列した半導体素子２、３の電極２ｓ、３ａ（厳密には導電板７を介して）とそれぞれ電気接続するための接合面Ｐ５１を有する接合面部５１ｊが設けられている。ソース端子５１はリードフレーム５内に形成された端子であって、主導電部５１ｍから接合面部５１ｊにかけての部分も連続する板材を折り曲げることによって形成したものである。主導電部５１ｍは、他端側が図示しない外部端子に向かって延在（ｘ方向）し、複数の半導体素子２、３の直近上に延びる一端側が平坦状をなしており、半導体装置において基板４と平行に配置されるものである。そして、主導電部５１ｍの一端部と中間部から幅方向に（ｙ方向）に分岐して延びた板材のそれぞれをｘ軸に沿って互い違いに２回折り曲げることで、可撓性を有する連結部５１ｆと、接合面部５１ｊが順次形成されることになる。これにより、ｘ方向から見たとき（図２（ｂ））に主導電部５１ｍから接合面部５１ｊにかけてＺ型形状をなし、主導電部５１ｍに対して接合面Ｐ５１が平行に配置される。
【００２１】
ここで、接合信頼性を損なう原因である複数の半導体素子の高さのばらつきは、スイッチング素子２やダイオード３のように、もともと厚みの異なる素子を混載した場合の他、素子の製造公差によって生じる可能性があるとともに、基板４との接合部の厚みのばらつき等から生じる可能性もある。ここでは例として５０μｍの高さばらつき（標準高さ±２５μｍ）が生じる場合について述べる。この場合、各接合面Ｐ５１と被接合材との間（接合部材）には、連結部５１ｆのバネ定数とバネたわみ量の違いの範囲で定まった加圧力が付与されることになる。焼結接合技術や、後の実施の形態で説明する金属間化合物接合技術で求められる加圧力としてここでは１０ＭＰａを所定の接合加圧力とし、許容されるバラつき範囲を１０ＭＰａ±２．５ＭＰａとした場合の連結部５１ｆの形状を例示することとした。
【００２２】
連結部５１ｆは、プレス加工にてリードフレーム５を製造する際に同時に成形されており、特にプレス曲げ工程にて主導電部５１ｍから接合面部５１ｊにかけてＺ曲げすることで屈曲状の変形部５１ｆｂ１、５１ｆｂ２が成形されている。ここで、リードフレーム５の板厚を０．６ｍｍ、Ｚ型に曲げられた連結部５１ｆの各変形部５１ｆｂ１、５１ｆｂ２の曲げ角度を４５度とすると、解析結果からばね定数は約３０００Ｎ／ｍｍとなり、接合面積（≒接合面部５１ｊの面積）が３０ｍｍ２だとすると、連結部５１ｆの厚み（ｚ方向）を０．１ｍｍ縮ませることで、接合部に所定の加圧力１０ＭＰａを付与できることになる。そこから素子の基板４からの高さが標準高さ±２５μｍの範囲でバラつく場合においても、接合部に生じる加圧力は７．５〜１２．５ＭＰａの範囲に収まる。つまり、上記構造の連結部５１ｆによって主導電部５１ｍと接合面部５１ｊとを連結することで、素子の高さばらつきが最大５０μｍある場合でも、所定の加圧力バラつきの範囲内で加圧接合することが可能となることがわかる。
【００２３】
さらに、図２（ｂ）、（ｃ）に示すように、接合面Ｐ５１の中心部Ｐｃを通る接合面Ｐ５１（ｘｙ面）に垂直な軸Ｘｃ（ｚ方向）の両側に変形部５１ｆｂ１、５１ｆｂ２が位置するように、連結部５１ｆを形成した。そのため、連結部５１ｆの高さが変化する、つまり、各変形部５１ｆｂ１、５１ｆｂ２の曲げ角度が変化しても、接合面Ｐ５１と主導電部５１ｍ間の平行度が変化せず、面内での圧力分布も一様になる。つまり、半導体素子２、３の各電極に接合面Ｐ５１を対向させ、主導電部５１ｍに平らな面を押し当てて圧力をかけることで半導体素子２、３の電極２ｓ、３ａ（導電板７）との接触面に所定範囲の圧力を印加することができる。
【００２４】
また、ここでは素子高さの違いが最大５０μｍである場合について説明したが、これ以上の厚さ範囲でバラつく可能性がある場合でも、連結部５１ｆの板厚を薄くしたり、曲げ角度を大きくしたりすることで解決可能である。その際にも、接合面Ｐ５１の中心部Ｐｃを通る軸Ｘｃの両側に変形部５１ｆｂ１、５１ｆｂ２が位置するように、連結部５１ｆを形成すれば、必要な変形量が変化しても、接合面Ｐ５１内にかかる圧力分布を一様にすることができる。
【００２５】
なお、焼結性接合材料との接合性を考慮して、接合面Ｐ５１には、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）などの金属膜、あるいは、金、銀、銅、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）などが最表面にくるような薄膜層が形成されている。
【００２６】
一方、焼結性接合材料で接続される半導体素子２、３の電極２ｓ、２ｄ、３ａおよび３ｃも、焼結性接合材料との接合性を考慮して、厚さ数百ｎｍ〜数μｍの金、銀、銅などの電極膜で形成、あるいは、金、銀、銅、白金、パラジウムなどが最表面にくるように例えばニッケル（Ｎｉ）／金といった薄膜層構造で形成している。なお、接合面部５１ｊや半導体素子２、３に形成する電極の材料としては、上記材料に限定されることはなく、焼結性接合材料や被接合材、および基板４、導電板７との接合性や安定性等を考慮して適宜選定すればよい。
【００２７】
ただし、製造プロセスの初期工程から熱履歴を受ける半導体素子２、３の電極をニッケル／金といった薄膜多層構造で形成した場合、以下のような場合には、製造プロセスについて考慮する必要がある。電極最表面の薄膜厚が例えば金メタライズで数十〜２００ｎｍ程度と薄く、かつその下地層として焼結性接合材料との接合性に劣る金属（例えばニッケル）が用いられると、複数回の加熱製造プロセス中に付与される熱履歴によってニッケル下地層が電極最表面にまで拡散してくることがあり、接合性の低下を招く。その場合、後述する導電板７を用いた製造方法が接合性の低下を抑制するうえで有効になる。
【００２８】
導電板７は、焼結性接合材料を用いた接合技術によって接合可能な接合部表面状態を有する金属板であり、接合部表面は金、銀、銅、白金、パラジウムなどが望ましい。このとき、導電板７の材質を導電性のあるアルミニウム（Ａｌ）や銅、ニッケル、チタン（Ｔｉ）、鉄（Ｆｅ）等の金属材料やＣｕ−Ｍｏ、Ａｌ−ＳｉＣなどの導電性セラミック複合材料、Ｃｕ−Ｉｎｖａｒ−Ｃｕなどのクラッド材料とし、接合部表面にのみ焼結接合技術で接合可能な上記金属をめっき等によって設けてもかまわない。ただし、上記表面に施した接合可能な金属層は、少なくとも５００ｎｍ以上、理想的には１〜５μｍ程度の厚さを有し、複数回の加熱プロセスに伴う熱履歴後も接合部表面に接合性に劣る金属が拡散し湧出してこないよう配慮されたものでなければならない。なお、図１では、説明を簡略化するため、スイッチング素子２の表面には、ひとつの電極２ｓのみに導電板７を適用している例について記載しているが、表面に複数の電極（主電力用）が区分けして形成されている場合でも適用可能である。
【００２９】
次に、上記半導体装置１を製造する方法について図３の側面図と図４のフローチャートのステップ番号を用いて説明する。なお、図３（以降の実施の形態における図７、図９も）は、側面を示すものであるが、その工程において注目すべき部材にハッチングを施して表現している。
まず、図３（ａ）に示すように、基板４の半導体素子２、３を接合する領域にペースト８Ｐを供給する（ステップＳ１１０）とともに、半導体素子２、３のソース電極２ｓ、アノード電極３ａにもペースト８Ｐを供給する（ステップＳ１２０）。そして、基板４のペースト８Ｐを供給した部分に、半導体素子２、３の裏面電極であるドレイン電極２ｄ、カソード電極３ｃを合わせるように設置する。さらに、設置した半導体素子２、３のペースト８Ｐが供給された部分にそれぞれ導電板７を設置し（ステップＳ２００）、１回目接合における被接合体とする。
【００３０】
その後、図３（ｂ）に示すように、被接合体を加熱プレス装置２１に挿入し、加熱プレスステージ面２１ｓと加熱プレスツール面２１ｔとで加熱加圧して、１回目接合を行う（ステップＳ３００）。このとき、半導体素子２、３の厚さ（基板４からの高さ）が異なる場合にも所定範囲の加圧力がかかるように、被接合体と加熱プレスツール面２１ｔとの間には、所定のばね係数に相当するクッション性を有するシート材（緩衝部材）２２を挿入する。これにより、焼結接合部８ａおよび８ｂが形成され、基板４と半導体素子２、３の裏面電極２ｄ、３ｃとの電気接続および半導体素子２、３のソース電極２ｓ、アノード電極３ａと導電板７との電気接続が達成され、１次組立体１Ａ１が形成される。
【００３１】
続いて、図３（ｃ）に示すようにリードフレーム５の接合面Ｐ５１にペースト８Ｐを供給する（ステップＳ１３０）。そして、１次組立体１Ａ１と加熱プレスツール面２１ｔとの間の緩衝部材２２を取り外し、導電板７とペースト８Ｐが供給された接合面Ｐ５１とを位置合わせしながらリードフレーム５を１次組立体１Ａ１上に設置し（ステップＳ４００）、２回目接合における被接合体とする。その後、図３（ｄ）に示すように、再び加熱プレス装置２１にて被接合体を直接加熱加圧して２回目接合を行う。これにより、焼結接合部８ｃが形成され、導電板７とソース端子５１との電気接続が達成され２次組立体１Ａ２が形成される。
【００３２】
このとき、従来のようにリード端子の主導電部（本体）と接合面との間に可撓性を有する部材が介在していない場合、たとえ１回目接合のようにクッション性のある緩衝部材２２を用いたとしても、リードフレームが厚さ（高さ）の異なる半導体素子２、３に応じて変形することができないので、接合不良が発生する可能性が高い。しかしながら、本実施の形態に示すように、ソース端子５１は主導電部５１ｍと接合面部５１ｊとを可撓性のある連結部５１ｆで連結したので、高さが異なる素子に対しても、所定範囲の面圧をかけることができ、焼結接合技術による信頼性の高い焼結接合部８の形成が可能となり、結果、半導体装置１の耐熱性および信頼性を向上させることができる。
【００３３】
また、接合面Ｐ５１の中心部Ｐｃを通る軸Ｘｃの両側に変形部５１ｆｂ１、５１ｆｂ２が位置するように、連結部５１ｆを形成したので、接合面Ｐ５１の面内での圧力分布も一様になるので、より信頼性の高い接合が可能となる。
【００３４】
その後、ドレイン端子５２を基板４に対して超音波接合したり、制御端子５３とゲート電極２ｇとをボンディングワイヤ６でワイヤボンドしたりすることで、電気配線が完了する。さらに、基板４の半導体素子２、３が接合された面の反対側に形成された放熱面を除き、全体を封止樹脂９によって封止し、リードフレーム５の各端子を切り離し、折り曲げ形成する等をしてパッケージ化された半導体装置１が完成する。
【００３５】
なお、本実施の形態１においては、上述したように複数回の加熱プロセスに伴う熱履歴後に、半導体素子２、３の表面電極の表面に接合性に劣る金属が拡散し湧出してくる場合も想定して、導電板７を表面電極上に接合するようにしたものである。そのため、このような場合を想定する必要がない場合は、必ずしも導電板７を使用する必要はない。ただし、半導体素子上に導電板を予め基板と同時に接合しておくと、半導体素子表面電極とリードフレームとの位置関係を厳密に制御しなくとも、素子の電極外と接合材あるいはリードフレームとの接触を防止するという効果を得ることもできる。
【００３６】
実施の形態１の変形例．
一方、連結部５１ｆを含む主導電部５１ｍから接合面部５１ｊにかけての形状は上記Ｚ型構造に限るものではない。ただし、リードフレーム５を介して加圧した際に、変形部の変形に伴って、接合面Ｐ５１が導電板７のような被接合面に対して跳ね上がり、平行を維持できるように連結部５１ｆが変形するような構造でなくてはならない。そのため、接合面Ｐ５１の中心Ｐｃを通る接合面Ｐ５１に垂直な軸Ｘｃの両側に、少なくとも一対の変形部を有するような構造でなければならない。
【００３７】
例えば図５（ａ）、図５（ｂ）に示すようにＭ型、Ｌ型などが例として挙げられる。図５（ａ）においては、屈曲状の変形部５１ｆｂ１〜５１ｆｂ３のうち、５１ｆｂ１と５１ｆｂ３が軸Ｘｃを挟んで変形部５１ｆｂ２と対峙するように構成している。図５（ｂ）においては、屈曲状の変形部５１ｆｂ１が軸Ｘｃを挟んで変形部５１ｆｂ２と対峙するように構成している。これにより、連結部５１ｆの高さ（主導電部５１ｍ〜接合面Ｐ５１間の厚み）が変化しても、接合面Ｐ５１は主導電部５１ｍに対しての平行を維持する、つまり被接合面である半導体素子２、３の電極面との平行を維持することが可能となり、面内で面圧を一様に保つことができる。
【００３８】
また、上記変形例も含め、本実施の形態ではリードフレーム５を製造するプレス工程にて連結部５１ｆを設ける（形成する）としたが、別途連結部や接合面部となる部材を作製し、リードフレームに別途作製した連結部や接合面部を溶接、ろう付け、超音波接合、圧接などの導電性を確保できる接合技術で接合してあっても良い。接合面部の材質は少なくとも最表面が焼結性金属材料等の接合部材との接合性及び導電性があるものであればよく、連結部の材質は導電性を示す金属材料であれば特に制限はなく、形状もより自由度が高くなる。例えば、図５（ｃ１）、（ｃ２）に示すようにコイルバネ状の連結部５１ｆとすれば、中心Ｐｃを通る軸Ｘｃを囲むようにらせん状の変形部５１ｆｂｖが形成されているので、軸Ｘｃを挟んで少なくとも対となる変形部を有することになる。
【００３９】
また例えば、図５（ｄ１）、（ｄ２）に示すようにポーラス金属状（多孔金属）の柱状物とすれば、多孔金属を形成する粒子同士の結合部分が変形部となり、柱状物の体積内に変形部が分布することになる。つまり、中心Ｐｃを通る軸Ｘｃを囲むように変形部５１ｆｂｐが形成されていることになるので、軸Ｘｃを挟んで少なくとも対となる変形部を有することになる。
【００４０】
以上のように、本発明の実施の形態１にかかるリード端子であるソース端子５１あるいはソース端子５１を有するリードフレーム５によれば、基板４の主面に複数の半導体素子２、３が配置された半導体装置１に用いられ、複数の半導体素子２、３のそれぞれの表側の電極２ｓ、３ａと外部回路とを電気接続するためのリード端子５１であって、基板４の主面に対して略平行に配置される平坦状の主導電部５１ｍと、主導電部５１ｍに対して面の垂直方向（ｚ）に所定の間隔をあけるとともに、面の延在方向（ｘｙ）の所定位置にそれぞれ形成され、複数の半導体素子２、３のそれぞれの表側の電極２ｓ、３ａに対向するように配置される接合面Ｐ５１を有する接合面部５１ｊと、主導電部５１ｍとそれぞれの接合面Ｐ５１間に加えた圧力に応じて、それぞれの接合面Ｐ５１と主導電部５１ｍとの平行を維持しながら、当該接合面Ｐ５１と主導電部５１ｊ間の間隔が変化するように接合面部５１ｊのそれぞれと主導電部５１ｍとを連結する連結部５１ｆと、を備えるように構成した。そのため、ソース端子５１の各接合面Ｐ５１と複数の半導体素子２、３とを一括して接合する場合、各素子の高さにばらつきがあっても、加えた力に応じて、接合面Ｐ５１と電極２ｓ、３ａとの平行を保ったまま、高さを変化させることができるので、平らな面で挟んで所定の圧を加えれば、各素子に対して適切な圧力範囲の圧力をかけて接合することができる。そのため、耐熱性の高い焼結性接合技術を用いても、効率よく製造できるとともに、信頼性が高い接合が可能となる。
【００４１】
とくに、連結部５１ｆのそれぞれには、当該連結部５１ｆが連結する接合面部５１ｊの接合面Ｐ５１の中心Ｐｃを通る接合面Ｐ５１に垂直な軸Ｘｃを挟むように、圧力に応じて変形する変形部５１ｆｂが形成されているように構成した。そのため、主導電部５１ｍと接合面Ｐ５１間に力を加えた場合、接合面Ｐ５１と主導電部５１ｍに対する平行度を維持して変形することが可能となり、接合面Ｐ５１と被接合体との圧力分布を確実に一様に保つことができる。
【００４２】
また、連結部５１ｆから接合面部５１ｊにかけての部分は、それぞれ主導電部５１ｍから延在する板材を折り曲げて形成するようにしたので、容易にリード端子を形成することができる。
【００４３】
あるいは、変形例に示すように、連結部５１ｆから接合面部５１ｊにかけての部分は、それぞれ可撓性部材（例えばコイルや多孔金属材）と板材とを主導電部５１ｍの面内の所定位置に接合して形成するようにすれば、圧力範囲の制御や面圧の一様性等をより容易にコントロールできる。
【００４４】
可撓性部材として、軸Ｘｃを囲むように旋回するコイル材にすれば、圧力範囲の制御や面圧の一様性等を容易にコントロールできる。
【００４５】
また、可撓性部材として、多孔金属からなる柱状材を用いても圧力範囲の制御や面圧の一様性等を容易にコントロールできる。
【００４６】
また、本発明の実施の形態１にかかる半導体装置１によれば、基板４と、基板４の主面に裏側の電極２ｄ、３ｃが接合された複数の半導体素子２、３と、複数の半導体素子２、３のそれぞれの表側の電極２ｓ、３ａに接合面Ｐ５１が接合された上述したリード端子であるソース端子５１あるいはソース端子５１が形成されたリードフレーム５と、を備えるように構成した。そのため、ソース端子５１の各接合面Ｐ５１と複数の半導体素子２、３とを一括して接合する場合、各素子の高さにばらつきがあっても、加えた力に応じて、接合面Ｐ５１の高さが平行移動するので、平らな面で挟んで所定の圧を加えれば、各素子に対して適切な圧力範囲の圧力をかけて接合することができる。そのため、耐熱性の高い焼結性接合技術を用いても、効率よく製造できるとともに、接合信頼性が高く、劣化が少なく長寿命となる。
【００４７】
とくに、表側の電極２ｓ、３ａ（あるいはそれに接合した導電板７）と接合面Ｐ５１との接合が焼結接合技術により行われたので、接合信頼性が高く、高温動作を繰り返しても劣化が少なく長寿命となる。
【００４８】
実施の形態２．
本実施の形態２にかかる半導体装置では、実施の形態１と異なり、ドレイン端子にも可撓性の連結部を設け、焼結性接合材を用い、導電ブロックを介して基板とドレイン端子とを接合するようにしたものである。その他の構成については実施の形態１と同様である。図６〜図８は、本発明の実施の形態２にかかる半導体装置について説明するためのものであって、図６は半導体装置から封止体を除いた状態を仮定したもので、図６（ａ）は部分平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＢ２−Ｂ２線による部分断面図である。図７は製造方法を説明するための工程に応じた半導体装置の状態を示す側面図であり、図８は製造方法を説明するためのフローチャートである。
【００４９】
図６に示すように、本実施の形態２にかかる半導体装置１においては、ドレイン端子５２にも、主導電部５２ｍと接合面部５２ｊとを可撓性を有する連結部５２ｆで連結するように形成されている。そして、接合面部５２ｊの接合面Ｐ５２と基板４とは、半導体素子２、３の厚み（本実施の形態では半導体素子の裏面電極から導電板７までの厚み）に相当する厚みを有する導電ブロック２７を介して焼結接合部８を用いて電気接続されている。連結部５２ｆの形状は、実施の形態１と同様の条件を満たすものとしてＺ型とした。
【００５０】
なお、上記電気接続においても、実施の形態１と同様に基本的に同じ焼結性接合材料を用いて焼結接合部８を構成したが、後述する製造方法において区別するため、基板４と導電ブロック２７との接合部を８ｄ、導電ブロック２７とドレイン端子５２の接合面Ｐ５２との接合部を８ｅと称して区別する。
【００５１】
導電ブロック２７は、焼結性接合材料を用いた接合技術によって接合可能な接合部表面状態を有する導電性ブロックであり、接合部表面は金、銀、銅であることが望ましい。このとき、導電ブロック２７材質を導電性のあるアルミニウムや銅、ニッケル、チタン、鉄等の金属材料やＣｕ−Ｍｏ、Ａｌ−ＳｉＣなどの導電性セラミック複合材料、Ｃｕ−Ｉｎｖａｒ−Ｃｕなどのクラッド材料とし、接合部表面にのみ焼結接合技術で接合可能な上記金属をめっき等によって設けてもかまわない。
【００５２】
次に、上記半導体装置１を製造する方法について図７の側面図と図８のフローチャートのステップ番号を用いて説明する。
まず、図７（ａ）に示すように、基板４の半導体素子２、３および導電ブロック２７を接合する領域にペースト８Ｐを供給する（ステップＳ１１２）とともに、半導体素子２、３のソース電極２ｓ、アノード電極３ａにもペースト８Ｐを供給する（ステップＳ１２０）。そして、基板４のペースト８Ｐを供給した部分に、半導体素子２、３の裏面電極であるドレイン電極２ｄ、カソード電極３ｃ、および導電ブロック２７を合わせるように設置する。さらに、設置した半導体素子２、３のペースト８Ｐが供給された部分にそれぞれ導電板７を設置し（ステップＳ２０２）、１回目接合における被接合体とする。
【００５３】
その後、図７（ｂ）に示すように、被接合体を加熱プレス装置２１に挿入し、加熱プレスステージ面２１ｓと加熱プレスツール面２１ｔとで加熱加圧して、１回目接合を行う（ステップＳ３００）。このとき、半導体素子２、３、および導電ブロック２７の厚さ（基板４からの高さ）が異なる場合にも所定範囲の加圧力がかかるように、被接合体と加熱プレスツール面２１ｔとの間には、クッション性のあるシート材（緩衝部材）２２を挿入する。これにより、焼結接合部８ａ、８ｂおよび８ｄが形成され、基板４と半導体素子２、３の裏面電極２ｄ、３ｃとの電気接続、半導体素子２、３のソース電極２ｓ、アノード電極３ａと導電板７との電気接続、および基板４と導電ブロック２７との電気接続が達成され、１次組立体１Ａ１が形成される。
【００５４】
続いて、図７（ｃ）に示すようにリードフレーム５の接合面Ｐ５１、Ｐ５２にペースト８Ｐを供給する（ステップＳ１３２）。そして、１次組立体１Ａ１と加熱プレスツール面２１ｔとの間の緩衝部材２２を取り外し、導電板７とペースト８Ｐが供給された接合面Ｐ５１と、および導電ブロック２７とペースト８Ｐが供給された接合面Ｐ５２とを位置合わせしながらリードフレーム５を１次組立体１Ａ１上に設置し（ステップＳ４０２）、２回目接合における被接合体とする。その後、図７（ｄ）に示すように、再び加熱プレス装置２１にて被接合体を直接加熱加圧して２回目接合を行う。これにより、焼結接合部８ｃ、８ｅが形成され、導電板７とソース端子５１との電気接続、および導電ブロック２７とドレイン端子５２との電気接続が達成され２次組立体１Ａ２が形成される。
【００５５】
以上のように、本実施の形態２にかかる半導体装置１によれば、リードフレーム５に形成されたリード端子のうち、基板４と電気接合するためのドレイン端子５２にも、接合面部５２ｊと主導電部５２ｍとを可撓性のある連結部５２ｆで連結するように構成し。接合面Ｐ５２と基板４とを半導体素子２、３の厚みに相当する導電ブロック７を介して接合するようにしたので、ドレイン端子５２も半導体素子２、３と同時に接合できるとともに、適切な面圧範囲に制御でき、信頼性の高い接合が可能となる。とくに、ドレイン端子５２と基板４との超音波接合による接続工程を省略でき、生産性を向上させる効果がある。
【００５６】
実施の形態３．
本実施の形態３にかかる半導体装置は、実施の形態１および２で用いた焼結性接合技術の代わりに金属間化合物接合技術（例えば、特許文献４参照。）を用いたものである。金属間化合物接合技術とは、錫（Ｓｎ）と銀との金属間化合物（Ａｇ３Ｓｎ）層、または錫と銅との金属間化合物（Ｃｕ３Ｓｎ）層を形成することで接合するものであり、被接合面の少なくとも一方が銀または銅である必要があり、ともに銀、またはともに銅であることが望ましい。そして、被接合面の少なくとも一方に銀または銅と反応させるための錫層を形成しておく必要がある。それ以外の構成については、基本的に、実施の形態２で説明したものと同様であり、同様部分については説明を省略する。
【００５７】
なお、接合層（接合部）の形成メカニズムについてはここでは省略するが、金属間化合物接合技術によって接合を行うためには、被接合面への適切な金属膜構造の形成および、適正な圧力をかけた状態で加熱処理する必要がある。そのため、金属間化合物接合技術を用いる場合でも上述したように、可撓性のある連結部で接合面部が連結されたリード端子を用いることが有効となる。あるいは、金属間化合物接合技術で形成する接合部自体の厚みは、基本的にペーストを塗布して形成した焼結接合部よりも薄くなるので、可撓性のある連結部で接合面部が連結されたリード端子を用いたときの接合信頼性の向上効果はさらに顕著になる。
【００５８】
次に、上記半導体装置を製造する方法について、図に基づいて説明する。図９と図１０は、本発明の実施の形態３にかかる半導体装置について説明するためのものであって、図９は製造方法を説明するための工程に応じた半導体装置の状態を示す側面図であり、図１０は製造方法を説明するためのフローチャートである。なお、基板４、リードフレーム５、導電板７および導電ブロック２７の材料として、銅を用いた場合について説明する。
【００５９】
まず、図９（ａ）に示すように、半導体素子２、３の主電力を流す表裏の電極（ソース電極２ｓ、ドレイン電極２ｄ、アノード電極３ａ、カソード電極３ｃ）上に、銅の金属層８１を形成し、銅の金属層８１上にさらに錫層８２を形成する（ステップＳ１２３）。さらに、銅の導電ブロック２７の基板４との接合面に錫層８２を形成する（ステップＳ１４３）。そして、基板４の所定位置に、半導体素子２、３の裏面電極であるドレイン電極２ｄ、カソード電極３ｃ、および導電ブロック２７を合わせて設置する。さらに、設置した半導体素子２、３のソース電極２ｓとアノード電極２ａ上にそれぞれ導電板７を設置し（ステップＳ２０３）、１回目接合における被接合体とする。
【００６０】
その後、図９（ｂ）に示すように、被接合体を加熱プレス装置２１に挿入し、加熱プレスステージ面２１ｓと加熱プレスツール面２１ｔとで加熱加圧して、１回目接合を行う（ステップＳ３０３）。このとき、半導体素子２、３、および導電ブロック２７の厚さ（基板４からの高さ）が異なる場合にも所定範囲の加圧力がかかるように、被接合体と加熱プレスツール面２１ｔとの間には、クッション性のあるシート材（緩衝部材）２２を挿入する。これにより、金属間化合物接合層（部）８３ａ、８３ｂおよび８３ｄが形成され、基板４と半導体素子２、３の裏面電極２ｄ、３ｃとの電気接続、半導体素子２、３のソース電極２ｓ、アノード電極３ａと導電板７との電気接続、および基板４と導電ブロック２７との電気接続が達成され、１次組立体１Ａ１が形成される。
【００６１】
続いて、図９（ｃ）に示すようにリードフレーム５の接合面Ｐ５１、Ｐ５２に錫層８２を形成する（ステップＳ１３３）。そして、１次組立体１Ａ１と加熱プレスツール面２１ｔとの間の緩衝部材２２を取り外し、導電板７と錫層８２が形成された接合面Ｐ５１と、および導電ブロック２７と錫層８２が形成された接合面Ｐ５２とを位置合わせしながらリードフレーム５を１次組立体１Ａ１上に設置し（ステップＳ４０３）、２回目接合における被接合体とする。その後、図９（ｄ）に示すように、再び加熱プレス装置２１にて被接合体を直接加熱加圧して２回目接合を行う。これにより、金属間化合物接合層（部）８３ｃ、８３ｅが形成され、導電板７とソース端子５１との電気接続、および導電ブロック２７とドレイン端子５２との電気接続が達成され２次組立体１Ａ２が形成される。
【００６２】
上記工程において、金属層８１、基板４、導電板７、導電ブロック２７、ソース端子５１およびドレイン端子５２の材料として銅をベースとした場合について説明したが、被接合面の最表面に銅がくるようにめっき等により薄膜を設けたものでもよい。その場合金属間化合物接合層はＣｕ３Ｓｎ相から形成される。また、材料として銀をベースとした場合、あるいは被接合面の最表面に銀がくるようにめっき等により薄膜が設けたもので上記工程を行った場合、金属間化合物接合層はＡｇ３Ｓｎ相から形成される。
【００６３】
以上のように、本実施の形態３にかかる半導体装置１によれば、主導電部５２ｍと可撓性のある連結部５１ｆで連結された接合面部５１ｊの接合面Ｐ５１と表側の電極２ｓ、３ａとの接合が金属間化合物接合技術により行われるようにした。そのため、ソース端子５１の各接合面Ｐ５１と複数の半導体素子２、３とを一括して接合する場合、各素子の高さにばらつきがあっても、加えた力に応じて、接合面Ｐ５１の高さが平行移動するので、平らな面で挟んで所定の圧を加えれば、各素子に対して適切な圧力範囲の圧力をかけて接合することができる。そのため、耐熱性の高い金属間化合物接合技術を用いても、効率よく製造できるとともに、接合信頼性が高く、劣化が少なく長寿命となる。
【００６４】
なお、上記各実施の形態１〜３では、半導体素子２、３（あるいは導電板７）と接合面Ｐ５１との接合を高耐熱技術である焼結性接合材料による焼結接合部８や金属間化合物接合材料による金属間化合物接合部８３を例に説明したが、これに限定する必要はない。例えば、はんだやろう材といったその他の材料であっても、接合面に均一な面圧を印加できるリード端子５１や５２を用いることで、信頼性の高い接合が可能となる。ただし、上述した焼結接合技術や金属間化合物接合技術のように、接合時の面圧条件が厳しい接合技術ほど、より本発明による効果を発揮することができる。
【００６５】
また、上記各実施の形態においては、半導体素子には、炭化ケイ素によって形成されたものを示したが、これに限られることはなく、一般的に用いられているケイ素（Ｓｉ）で形成されたものであってもよい。しかし、ケイ素よりもバンドギャップが大きい、いわゆるワイドギャップ半導体を形成できる炭化ケイ素や、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドを用いた時の方が、動作温度が高く、より、耐熱性の高い接合技術が求められるため、本発明による効果をより一層発揮することができる。
【符号の説明】
【００６６】
１  半導体装置、
２  スイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ）、  ２ｄ  ドレイン電極（裏面電極）、  ２ｇ
ゲート電極（表面電極）、  ２ｓ  ソース電極（表面電極）、
３  整流素子（ＳＢＤ）、  ３ａ  アノード電極（表面電極）、  ３ｃ  カソード電極（裏面電極）、
４  基板、
５  リードフレーム、  ５１  ソース端子（５１ｆ：連結部、５１ｆｂ：変形部、５１ｊ：接合面部）、  ５１ｍ  主導電部、  ５２  ドレイン端子（５２ｆ：連結部、５２ｊ：接合面部、５２ｍ：主導電部）、  ５３  制御端子、
６  ボンディングワイヤ、  ７  導電性金属板（導電板）、
８  焼結接合部（接合部）、  ８３  金属間化合物接合部（接合部）、
９  封止樹脂（封止体）、  ２１  加熱プレス装置、  ２２  緩衝材、
Ｐ５１，Ｐ５２  接合面、  Ｐｃ  接合面の中心、  Ｘｃ  接合面の中心を通る接合面に垂直な軸。
【図１】
2013131592.tif 000003
【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】
2013131592.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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