(57)【要約】【課題】半導体素子とリードフレームの熱膨張率の差に起因する半導体素子への熱応力を低減する技術を提供する。【解決手段】半導体装置１０は、第１リードフレーム２と、半導体素子６を備えている。半導体素子６は、第１リードフレーム２より硬度が高い金属である第１接合層４を介して第１リードフレーム２に接合されている。第１リードフレーム２には、厚みが薄く調整されている第１薄肉部分２ａが形成されている。半導体素子６の一方の主面が、第１薄肉部分２ａに接合されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１リードフレームと、
前記第１リードフレームより硬度が高い金属である第１接合層を介して前記第１リードフレームに接合されている半導体素子と、を備えており、
前記第１リードフレームには、厚みが薄く調整されている第１薄肉部分が形成されており、
前記半導体素子の一方の主面が、前記第１薄肉部分に接合されている半導体装置。
【請求項２】
前記第１接合層は、錫を含む金属間化合物である請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記金属間化合物は、銅、ニッケル、金、銀から選択されるいずれかの元素をさらに含む請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１リードフレームは、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金から選択されるいずれかの金属で形成されている請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
厚みが薄く調整されている第２薄肉部分が形成されている第２リードフレームをさらに備えており、
前記半導体素子の他方の主面が、前記第２リードフレームより硬度が高い金属である第２接合層を介して前記第２薄肉部分に接合されている請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示する技術は、リードフレームに半導体素子が接合されている半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
動作中の発熱量が高い半導体装置では、半導体素子とリードフレームを接合する接合層として、従来のはんだに代えて、融点の高い金属，金属間化合物を用いる研究が行われており、その一例が特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３２８８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、それらの金属（金属間化合物）は硬度が高い。そのため、半導体素子とリードフレームの熱膨張率の差によって半導体素子に過大な熱応力が加わることがある。本明細書は、半導体素子とリードフレームの熱膨張率の差に起因する過大な熱応力が半導体素子に加わることを抑制する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書で開示する半導体装置は、第１リードフレームと、第１リードフレームより硬度が高い金属である第１接合層を介して第１リードフレームに接合されている半導体素子を備えている。第１リードフレームには、厚みが薄く調整されている第１薄肉部分が形成されている。この半導体装置では、半導体素子の一方の主面が、第１薄肉部分に接合されている。
【０００６】
上記半導体装置では、半導体素子が第１リードフレームの第１薄肉部分に接合されている。このため、半導体素子と第１リードフレームとの熱膨張率の差に起因する熱応力が増大したとき、第１リードフレーム自体が変形することで、半導体素子に過大な熱応力が加わることが抑制される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施例１の半導体装置の要部断面図を模式的に示す。
【図２】実施例１の半導体装置の平面図を模式的に示す。
【図３】リードフレームと半導体素子の接合工程を説明する図を示す。
【図４】リードフレームと半導体素子の接合工程を説明する図を示す。
【図５】実施例２の半導体装置の要部断面図を模式的に示す。
【図６】実施例３の半導体装置の要部断面図を模式的に示す。
【図７】実施例４の半導体装置の要部断面図を模式的に示す。
【図８】実施例５の半導体装置の要部断面図を模式的に示す。
【図９】実験で用いた半導体装置の構造を模式的に示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本明細書で開示される技術の特徴を整理する。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。
【０００９】
半導体装置は、第１リードフレームと半導体素子を備えていてよい。第１リードフレームと半導体素子は、第１リードフレームより硬度が高い金属である第１接合層を介して接合されていてよい。第１リードフレームには、厚みが薄く調整されている第１薄肉部分が形成されていてよい。半導体素子の一方の主面が、第１薄肉部分に接合していてよい。また、半導体装置は、厚みが薄く調整されている第２薄肉部分が形成されている第２リードフレームをさらに備えていてよい。半導体素子の他方の主面は、第２リードフレームより硬度が高い金属である第２接合層を介して第２薄肉部分に接合されていてよい。第１リードフレームと第２リードフレームは、同一の材料で形成されていてもよいし、異なる材料で形成されていてもよい。第１接合層と第２接合層も、同一の材料であってもよいし、異なる材料であってもよい。また、第１接合層と第２接合層は、単一の材料で構成されている単層であってもよいし、異なる材料が積層した複層であってもよい。
【００１０】
半導体素子の材料は、シリコン単結晶又は化合物半導体であってよい。化合物半導体は、例えば、炭化ケイ素、窒化ガリウムであってよい。なお、本明細書で開示する技術は、耐熱温度がシリコンよりも高い化合物半導体に有用に適用することができる。
【００１１】
接合層（第１接合層，第２接合層）の材料は、錫を含む金属間化合物であってよい。金属間化合物は、銅、ニッケル、金、銀から選択されるいずれかの元素をさらに含んでいてよい。具体的には、金属間化合物は、銅−錫化合物、ニッケル−錫化合物、金−錫化合物、銀−錫化合物であってよい。これらの金属間化合物は、半導体素子及びリードフレームより硬度が高くてよい。接合層の材料は、銅粒子又は銀粒子を用いたものであってもよい。銅粒子の粒径は、１ｎｍ〜１μｍであってよい。また、銀粒子の粒径は、１ｎｍ〜１μｍであってよい。なお、これらの金属間化合物、金属粒子は、典型的に、はんだよりも硬度が高く、融点が高い。
【００１２】
リードフレーム（第１リードフレーム，第２リードフレーム）の材料は、銅，銅を主成分とする合金，アルミニウム又はアルミニウムを主成分とする合金で形成されていてよい。これらの金属をリードフレームとして用いることにより、良好な熱伝導性と電気伝導性が得られる。リードフレームは、半導体素子及び接合層より硬度が低くてよい。半導体装置の温度が上昇したときに、リードフレームが変形し、半導体素子加わる熱応力を低減することができる。すなわち、半導体素子とリードフレームの熱膨張係数の差による歪を、リードフレームが変形することで吸収することができる。なお、半導体素子、接合層及びリードフレームの硬度は、マイクロビッカース法、ナノインデンテーション法等により計測することができる。
【００１３】
リードフレームの表面に、金属の被覆層を設けてもよい。被覆層を設けることにより、リードフレームの表面硬さを調整したり、リードフレームと他の部材との接合性を改善することができる。被覆層の材料は、銅、銀、金又は錫であってよい。被覆層は、めっき法，真空蒸着法，スパッタリング法又はＣＶＤ法を用いてリードフレームの表面に形成してよい。
【００１４】
リードフレームは、全体が一体に形成されたものであってよい。換言すると、リードフレームは、複数の部品を接合して形成するのではなく、継ぎ目が存在しない一体構造であってよい。リードフレームの薄肉部分（第１薄肉部分，第２薄肉部分）以外の厚みは、１ｍｍ以上であってよく、好ましくは１〜３０ｍｍであってよい。リードフレーム（薄肉部分以外）の変形が抑制され、リードフレームの取り扱いを容易にすることができる。リードフレームが接合された半導体装置の歩留まりの低下を抑制することができる。薄肉部分は、リードフレームの所定の位置（半導体素子と接合する位置）を加工することによって形成してよい。具体的には、薄肉部分は、リードフレームの一部を切削し、他の部分より厚みを薄くしてよい。あるいは、薄肉部分は、化学エッチング，鍛造によって、リードフレームの一部を薄くしてもよい。さらに、粉末冶金の技術を用いて、薄肉部分を有するリードフレームを形成してもよい。
【００１５】
薄肉部分の厚みは、薄肉部分と接合層が化学反応したときに、厚さ方向の少なくとも一部に薄肉部分の組成が変わらない部分が存在するような厚みであってよい。すなわち、接合層と薄肉部分が接触する範囲において、薄肉部分の厚み方向の少なくとも一部に、薄肉部分以外の範囲のリードフレームの組成と同一組成の部位が存在していてよい。換言すると、薄肉部分の厚みは、半導体素子とリードフレーム（薄肉部分）を接合したときに、薄肉部分においてリードフレームを構成する材料が検出できるような厚みであってよい。具体的には、薄肉部分の厚みは、０．１ｍｍより厚く、リードフレームの薄肉部分に隣接する部分の厚みより薄くてよい。
【実施例】
【００１６】
（第１実施例）
図１から図３を参照し、半導体装置１０について説明する。なお、図１から図３は、半導体装置の特徴部分のみを模式的に示している。実際の半導体装置は、図示する構造の他、電源と半導体素子の電極とを接続するワイヤー等の公知構造が付加される。
【００１７】
図１に示すように、半導体装置１０は、リードフレーム２と、半導体素子６を備えている。リードフレーム２は、膜厚が薄く調整されている薄肉部分２ａを備えている。換言すると、リードフレーム２は、薄肉部分２ａと厚肉部分２ｂを備えている。薄肉部分２ａは、厚肉部分２ｂに囲まれている（図２も参照）。なお、薄肉部分２ａは、リードフレーム２の一部（中央部）を切削加工して形成されている。薄肉部分２ａは、リードフレーム２の中央部分に窪み８を形成したときの窪み８の底部分である。そのため、薄肉部分２ａと厚肉部分２ｂは一体であり、リードフレーム２は、異なる厚みの材料を接合することなく形成されている。窪み８の側面は、薄肉部分２ａから厚肉部分２ｂに向けて傾斜している。なお、半導体素子６と、薄肉部分２ａと、厚肉部分２ｂの少なくとも一部は、樹脂（図示省略）によって封止されている。リードフレーム２の材料は無酸素銅（純度９９．９５％以上の銅）であり、薄肉部分２ａの厚みＴａは０．５ｍｍであり、厚肉部分２ｂの厚みＴｂは３ｍｍである。リードフレーム２は、第１リードフレームの一例である。
【００１８】
縦型の半導体素子６が、接合層４を介して、薄肉部分２ａ（窪み８の底面）に接合されている。薄肉部分２ａに対して、半導体素子６の主面（主電極が設けられている表面）が接合されている。半導体素子６の側面（主電極を結ぶ方向に直交する方向の面）は、リードフレーム２に対して非接触である。半導体素子６の材料は炭化ケイ素であり、接合層４は銅−錫化合物（金属間化合物）である。そのため、リードフレーム２の硬度は、半導体素子６及び接合層４の硬度より低い。接合層４は、第１接合層の一例である。
【００１９】
図３及び図４を参照し、薄肉部分２ａと接合層４の関係について説明する。上記したように、接合層４は銅−錫化合物であり、リードフレーム２は無酸素銅である。銅−錫化合物（接合層４）は、接合材として銅−錫化合物又は錫を用いて半導体素子６をリードフレーム２に接合するときに、接合材と薄肉部分２ａの表面部分が反応することにより形成される。具体的には、図３に示すように、薄肉部分２ａの表面にスパッタリング法を用いて単層の接合材４０を形成し、接合材４０の表面に半導体素子６を配置する。なお、スパッタリング法に代えて、真空蒸着法、印刷法等を用いて、薄肉部分２ａの表面に単層の接合材４０を形成してもよい。
【００２０】
その後、接合材４０を加熱することにより、図４に示すように、接合材４０が薄肉部分２ａの一部を反応し、接合層４が形成される。なお、図４の破線は、半導体素子６を薄肉部分２ａに接合する前の薄肉部分２ａの表面を示している。半導体装置１０では、薄肉部分２ａの裏面側（薄肉部分２ａに対して半導体素子６が設けられている側と反対側）は接合材４０と反応しない。そのため、薄肉部分２ａの裏面側には、厚肉部分２ｂ（図１も参照）の組成と同一組成の部位が残存している。
【００２１】
なお、リードフレーム２の表面をニッケルめっきで被覆してもよい。この場合、接合材として、ニッケル−錫化合物又は錫を用いる。ニッケル−錫化合物の接合層４が得られる。また、リードフレーム２の材料として、無酸素銅に代えてアルミニウム合金を用いてもよい。この場合、リードフレーム２の表面のうちの少なくとも半導体素子６との接合面が、金、銀、銅、ニッケル等で被覆されていてもよい。また、接合材として銅粒子を含むペーストを用いてもよい。接合層４として銅の焼結層が得られる。なお、銅粒子は、粒径１ｎｍ〜１μｍの範囲を選択する。
【００２２】
半導体装置１０の利点を説明する。まず、図９を参照し、リードフレームの厚さと半導体素子に加わる応力の関係について説明する。半導体装置６１０は、厚さが均一の無酸素銅のリードフレーム６０２に、銅−錫化合物（接合層４）を介してシリコン半導体６０６が接合されたものである。この半導体装置６１０について、リードフレーム６０２の厚みＴ（ｍｍ）を変更し、接合後にシリコン半導体６０６の表面に加わる応力（ＭＰａ）を計測した。その結果、厚みＴが３ｍｍのときに応力が５００ＭＰａであり、厚みＴが２ｍｍのときに応力が３４０ＭＰａであり、厚みＴが１ｍｍのときに応力が５２ＭＰａであった。すなわち、リードフレーム６０２の厚みＴが薄くなるに従って、シリコン半導体６０６に加わる応力が小さくなる。
【００２３】
上記したように、半導体装置１０は、リードフレーム２の薄肉部分２ａに半導体素子６が接合されている。そのため、半導体装置１０は、薄肉部分を有していないリードフレーム（例えばリードフレーム６０２）に半導体素子６を接合した半導体装置と比較して、半導体素子６に加わる熱応力を低減することができる。なお、単にリードフレームの厚みを薄くする（例えばリードフレーム６０２の厚みＴを薄くする）と、リードフレームの強度が低下し、リードフレームが変形しやすくなり、取扱いが困難になる。その結果、半導体装置の製造歩留まりが低下することがある。半導体装置１０は、半導体素子６を接合する部分を選択的に薄くすることにより、リードフレーム２の強度が低下することを抑制しながら、半導体素子６に加わる熱応力を低減することができる。
【００２４】
半導体装置１０は、半導体素子６とリードフレーム２の熱膨張差に起因する歪を、リードフレーム２（薄肉部分２ａ）が変形して吸収する。そのため、接合層内に熱膨張差に起因する歪を緩和する部分（応力緩和層）を設ける必要がない。すなわち、接合材として、異なる材料が積層された接合材（複層型の接合材）を用いる必要がない。複層型の接合材は、融点の異なる複数の材料を含むことが多く、接合の際の温度管理が難しい。具体的には、半導体素子とリードフレームを接合するときに、高融点の材料（層）の融点に合わせて加熱するため、低融点の材料は融解状態が長く続く。低融点の材料が流れ出し、半導体素子とリードフレームが十分に接合されないことが起こり得る。上記したように、半導体装置１０では、接合材４０が単層である。そのため、接合の際の温度管理が容易となり、半導体素子６とリードフレーム２を確実に接合することができる。また、単層の接合材は、複層型の接合材よりコストを低減することができる。
【００２５】
（第２実施例）
図５を参照し、半導体装置２１０について説明する。半導体装置２１０は、半導体装置１０の変形例である。半導体装置２１０について、半導体装置１０と同一の構造については、同じ参照番号を付すことにより説明を省略することがある。
【００２６】
半導体装置２１０は、半導体装置１０のリードフレーム２と同一のリードフレーム２を用いている（図１も参照）。しかしながら、半導体装置２１０では、半導体素子６が、リードフレーム２の裏面（窪み８が形成されている面と反対側の面）に接合されている。半導体装置２１０では、半導体素子６はリードフレーム２の平坦な平面上に接合されており、半導体素子６が設けられている側の反対側においてリードフレーム２に空洞（窪み８）を確保することができる。
【００２７】
（第３実施例）
図６を参照し、半導体装置３１０について説明する。半導体装置３１０は、半導体装置１０の変形例である。半導体装置３１０について、半導体装置１０と同一の構造については、同じ参照番号又は下二桁が同じ参照番号を付すことにより説明を省略することがある。
【００２８】
半導体装置３１０は、端部に薄肉部分３０２ａが形成されているリードフレーム３０２を用いている。このリードフレーム３０２は、平坦なリードフレームの端部を鍛造法を用いて薄肉化する。薄肉部分３０２ａと厚肉部分３０２ｂの間は、厚みが不連続に変化している。なお、半導体素子６は、厚肉部分３０２ｂと非接触である。リードフレーム３０２は、切削により薄肉部分を形成する方法と比較して、薄肉部分の厚みコントロールを行いやすい。
【００２９】
（第４実施例）
図７を参照し、半導体装置４１０について説明する。半導体装置４１０は、半導体装置１０の変形例である。半導体装置４１０について、半導体装置１０と同一の構造については、同じ参照番号又は下二桁が同じ参照番号を付すことにより説明を省略することがある。
【００３０】
半導体装置４１０は、半導体素子６の両面にリードフレーム２，１４が接合されている。具体的には、半導体素子６の一方の主面（裏面）が接合層４を介してリードフレーム２の薄肉部分２ａに接合されており、他方の主面（表面）が接合層１２を介してリードフレーム１４の薄肉部分１４ａに接合されている。半導体素子６は、厚肉部分２ｂ及び１４ｂの何れにも接していない。リードフレーム１４は第２リードフレームの一例であり、接合層１２は第２接合層の一例であり、薄肉部分１４ａは第２薄肉部分の一例である。リードフレーム２と半導体素子６の関係は、半導体装置１０と同一である。
【００３１】
半導体装置４１０では、端部に薄肉部分１４ａが形成されているリードフレーム１４を用いている。このリードフレーム１４は、無酸素銅で形成されている。なお、接合層１２の材料は、接合層４の材料と同一である。半導体装置４１０は、半導体素子６の表裏面に銅―錫化合物を配置し、薄肉部分２ａと薄肉部分１４ａを同時に接合する。
【００３２】
（第５実施例）
図８を参照し、半導体装置５１０について説明する。半導体装置５１０は、半導体装置１０及び半導体装置４１０の変形例である。半導体装置５１０について、半導体装置１０及び半導体装置４１０と同一の構造については、同じ参照番号又は下二桁が同じ参照番号を付すことにより説明を省略することがある。
【００３３】
半導体装置５１０は、半導体素子６の両面にリードフレーム２，１６が接合されている。具体的には、半導体素子６の一方の主面（裏面）が接合層４を介してリードフレーム２の薄肉部分２ａに接合されており、他方の主面（表面）が接合層１２を介してリードフレーム１６の薄肉部分１６ａに接合されている。半導体素子６は、厚肉部分２ｂ及び１６ｂの何れにも接していない。リードフレーム１６は第２リードフレームの一例であり、薄肉部分１６ａは第２薄肉部分の一例である。リードフレーム２と半導体素子６の関係は、半導体装置１０と同一である。
【００３４】
薄肉部分１６ａは、リードフレームの中央部を絞り加工して形成される。絞り加工を行った部分（薄肉部分１６ａ）は、絞り加工を行わなかった部分（厚肉部分１６ｂ）よりも肉厚が薄くなる。薄肉部分１６ａを形成することにより、リードフレーム１６に窪み１８が形成される。半導体素子６は、窪み１８が形成されている面と反対側の面に接合されている。
【００３５】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３６】
２：第１リードフレーム
２ａ：第１薄肉部分
４：第１接合層
６：半導体素子
１０：半導体装置
【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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