(57)【要約】【課題】この発明は、回路パターンと絶縁基板の複合体と、電極端子の接合部と、の線膨張係数差を小さくして、線膨張係数差に起因する超音波接合部付近での破壊の発生を抑制できる半導体装置を得る。【解決手段】この発明による半導体装置は、表面に回路パターンが形成された絶縁基板と、上記回路パターンに超音波接合された接合部を有する電極端子と、を備え、上記回路パターンは、ＣｕまたはＣｕ合金で作製され、上記接合部が、上記回路パターンと同じ材料で作製され、上記回路パターンと超音波接合される接合層と、上記接合層の上記回路パターンと反対側に積層され、上記回路パターンの材料より線膨張係数の小さい材料で作製された表層と、から構成されている。【選択図】図２
2016134547.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に回路パターンが形成された絶縁基板と、上記回路パターンに超音波接合された接合部を有する電極端子と、を備えた半導体装置において、
上記回路パターンは、ＣｕまたはＣｕ合金で作製され、
上記接合部が、上記回路パターンと同じ材料で作製され、上記回路パターンと超音波接合される接合層と、上記接合層の上記回路パターンと反対側に積層され、上記回路パターンの材料より線膨張係数が小さい表層と、から構成されている半導体装置。
【請求項２】
上記表層は、上記回路パターンの材料より線膨張係数の小さい材料で作製された単一層に構成されている請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
上記表層は、上記接合層の上記回路パターンと反対側に積層され、上記回路パターンの材料より線膨張係数の小さい材料で作製された下層と、上記下層の上記接合層と反対側に積層され、上記接合層と同じ材料で、上記接合層と同じ厚さに作製された上層と、からなる２層構造に構成されている請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
上記電極端子の上記接合部を除く部分が、上記接合層と同じ材料で作製されている請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
超音波接合ツールが差し込まれる穴部が、上記表層の上記接合層と反対側に凹設されている請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、絶縁基板の表面に形成された回路パターンと電極端子とが超音波接合される半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体装置は、表面に複数の配線パターンが形成された基板と、基板に搭載されて複数の配線パターンのうちの一部の配線パターンに電気的に接続された半導体素子と、複数の配線パターンのうちの他の配線パターンに電気的に接続されたリードを有する端子部と、を備え、端子部のリードは、銅を主成分とする部材とアルミニウムを主成分とする部材とを積層して構成され、他の配線パターンは、銅で形成され、リードを構成するアルミニウムを主成分とする部材が、他の配線パターンに超音波接合により電気的に接続されていた（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−５１３６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の半導体装置では、異種金属同士を超音波接合しているので、同じ金属同士を超音波接合する場合に比べて、接合強度が低下する。さらに、アルミニウムを主成分とする部材は銅を主成分とする部材より線膨張係数が大きいので、銅を主成分とする部材とアルミニウムを主成分とする部材とを積層して構成されたリードの線膨張係数は、銅で形成された他の配線パターンより大きくなる。そこで、使用環境などによって半導体装置自体が繰り返し温度変化すると、線膨張係数差に起因する熱応力が超音波接合部に繰り返し作用する。そのため、超音波接合部の端部を起点に亀裂が発生し、その亀裂が進展して、超音波接合部付近が破壊するという恐れがあった。
【０００５】
この発明は、上記課題を解決するためになされたもので、回路パターンと絶縁基板の複合体と、電極端子の接合部と、の線膨張係数差を小さくして、線膨張係数差に起因する超音波接合部付近での破壊の発生を抑制できる半導体装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る半導体装置は、表面に回路パターンが形成された絶縁基板と、上記回路パターンに超音波接合された接合部を有する電極端子と、を備え、上記回路パターンは、ＣｕまたはＣｕ合金で作製され、上記接合部が、上記回路パターンと同じ材料で作製され、上記回路パターンと超音波接合される接合層と、上記接合層の上記回路パターンと反対側に積層され、上記回路パターンの材料より線膨張係数が小さい表層と、から構成されている。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、接合層と回路パターンとが同じ材料で作製されているので、接合強度が大きくなる。また、表層の線膨張係数が回路パターンの材料の線膨張係数より小さいので、接合部の線膨張係数が、接合部が回路パターンと同じ材料のみで作製されている場合にくべて小さくなる。そこで、回路パターンと絶縁基板の複合体と、接合部と、の線膨張係数差が小さくなり、半導体装置の温度変化に起因して超音波接合部に作用する熱応力が小さくなる。これにより、線膨張係数差に起因する超音波接合部付近での破壊の発生が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る半導体装置における電極端子の接合部の構成を説明する図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る半導体装置における超音波接合方法を説明する図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係る半導体装置における回路パターンと電極端子との超音波接合部を示す要部断面図である。
【図５】この発明の実施の形態２に係る半導体装置における電極端子の接合部の構成を説明する図である。
【図６】この発明の実施の形態２に係る半導体装置における超音波接合方法を説明する要部断面図である。
【図７】この発明の実施の形態２に係る半導体装置における回路パターンと電極端子との超音波接合部を示す要部断面図である。
【図８】この発明の実施の形態３に係る半導体装置における電極端子の接合部の構成を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の半導体装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
【００１０】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図、図２はこの発明の実施の形態１に係る半導体装置における電極端子の接合部の構成を説明する図であり、図２の（ａ）は接合部周りを示す斜視図、図２の（ｂ）は接合部周りを示す断面図である。
【００１１】
図１において、半導体装置１は、ケース型と呼ばれるＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）パワーモジュールであり、ベース板２と、ベース板２上に固定された絶縁基板３と、絶縁基板３の裏面に形成された金属パターン４と、絶縁基板３の表面に形成された回路パターン５と、回路パターン５上に固定された半導体チップ６と、回路パターン５と外部電源（図示せず）とを電気的、かつ機械的に接続する電極端子８と、半導体チップ６の電極７と回路パターン５とを電気的、かつ機械的に接続する金属ワイヤ９と、樹脂製のケース１０と、を備えている。
【００１２】
ベース板２には、例えば、純Ａｌ、Ａｌ合金、純Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ−ＳｉＣ、ＡｌＣ、Ｃｕ−Ｍｏなどの金属板が用いられる。絶縁基板３には、例えば、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４などのセラミック基板や、ガラスエポキシ樹脂基板などが用いられる。金属パターン４には、純ＣｕまたはＣｕを主成分とするＣｕ合金が用いられ、ベース板２とはんだ１１で接合するために、絶縁基板３の裏面の比較的広い面積、または全面に形成されている。回路パターン５には、導電性の高い純ＣｕまたはＣｕを主成分とするＣｕ合金が用いられ、絶縁基板３の表面に形成されている。
【００１３】
電極端子８は、図２に示されるように、厚さが１〜２ｍｍ、幅が数ｍｍの帯状体に構成され、回路パターン５と接合するために折り曲げられたネック部１２を有する。そして、ネック部１２の先端側が平坦な接合部１３となる。接合部１３は、接合層１４と表層１５とを厚さ方向に積層した２層構造となっている。そして、電極端子８の表層１５を除く部分は、回路パターン５と同じ材料、すなわちＣｕまたはＣｕ合金で作製されている。また、表層１５は、接合層１４の材料であるＣｕまたはＣｕ合金より線膨張係数の小さい材料である、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ａｕ、又はそれらの合金などで作製されている。
【００１４】
つぎに、回路パターン５と電極端子８との超音波接合方法について図３および図４を参照しつつ説明する。図３はこの発明の実施の形態１に係る半導体装置における超音波接合方法を説明する図であり、図３の（ａ）はその斜視図であり、図３の（ｂ）は図３の（ａ）のＡ−Ａ’矢斜断面図である。図４はこの発明の実施の形態１に係る半導体装置における回路パターンと電極端子との超音波接合部を示す要部断面図である。
【００１５】
電極端子８を回路パターン５に接合するには、図３の（ａ）に示されるように、接合層１４が回路パターン５に接するように接合部１３を回路パターン５に重ね合わせる。ついで、超音波接合ツール１６を接合部１３の表層１５上に載置し、荷重負荷方向１７に押圧しながら振動方向１８に超音波振動を印加する。これにより、図３の（ｂ）に示されるように、超音波接合ツール１６の押圧面１６ａに形成された突起１９が表層１５に食い込み、超音波振動が接合部１３に伝達され、金属表面にあった汚れや酸化膜が除去され、回路パターン５と接合層１４とが接合される。
【００１６】
超音波接合後、表層１５の表面には、図４に示されるように、突起１９の食い込みよる圧痕２０が残っている。また、超音波接合ツール１６による押圧部の真下位置、すなわち圧痕２０の真下位置に、回路パターン５と接合層１４との超音波接合部２１が形成されている。
【００１７】
この実施の形態１によれば、電極端子８の接合部１３が、ＣｕまたはＣｕ合金で作製された接合層１４と、ＣｕまたはＣｕ合金より線膨張係数の小さい材料で作製された表層１５と、からなる２層構造となっているので、接合部１３の線膨張係数は、接合部がＣｕまたはＣｕ合金のみで作製されている場合よりも小さくなる。そこで、回路パターン５と絶縁基板３の複合体と、接合部１３と、の間の線膨張係数差は、回路パターン５と絶縁基板３の複合体と、ＣｕまたはＣｕ合金のみで作製された接合部と、の間の線膨張係数差より小さくなる。そこで、半導体装置１が温度変化した際に、線膨張係数差に起因して超音波接合部２１に作用する熱応力が小さくなる。また、接合部１３の接合層１４が回路パターン５と同じ材料で作製されているので、接合強度が大きくなる。これにより、半導体装置１の温度変化に起因する、超音波接合部２１の端部を起点とした亀裂の発生や亀裂の進展を抑制でき、超音波接合部２１付近での破壊の発生を防ぐことができる。
【００１８】
電極端子の全体が異種金属からなる２層構造となっている場合には、半導体装置１の温度変化により電極端子がバイメタル効果により反り、超音波接合部２１に引っ張り荷重が作用する。この実施の形態１では、電極端子８の接合部１３の表層１５を除く部分がＣｕまたはＣｕ合金で作製されているので、バイメタル効果に起因する引っ張り荷重が超音波接合部２１に作用することがなく、超音波接合部２１の接合信頼性が高められる。
【００１９】
ここで、表層１５は、接合部１３の超音波接合ツール１６により押圧される側に形成されていればよく、超音波接合ツール１６の押圧面１６ａよりもコンマ数ｍｍ〜数ｍｍ程度大きい範囲に形成されるのが好ましい。表層１５の形成範囲が超音波接合ツール１６の押圧面１６ａよりも小さい範囲であれば、超音波接合時に超音波接合ツール１６が表層１５と電極端子８を跨がって押圧することになる。表層１６と電極端子８は剛性が異なり、超音波接合ツール１６の押圧による変形量が異なるため、超音波接合部２１に生じる圧力に偏りができ、超音波接合部２１の強度が低下する可能性がある。
また、上記実施の形態１では、表層１５は電極端子８の接合部１３近傍と面一に形成されているが、表層１５は必ずしも電極端子８の接合部１３近傍と面一に形成される必要はない。
【００２０】
実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２に係る半導体装置における電極端子の接合部の構成を説明する図であり、図５の（ａ）は接合部周りを示す斜視図、図５の（ｂ）は接合部周りを示す断面図である。図６はこの発明の実施の形態２に係る半導体装置における超音波接合方法を説明する要部断面図、図７はこの発明の実施の形態２に係る半導体装置における回路パターンと電極端子との超音波接合部を示す要部断面図である。
【００２１】
図５において、電極端子８Ａの接合部１３Ａは、接合層１４と、超音波接合ツール１６が挿入される穴部２２を有するように接合層１４上に枠状に形成された表層１５Ａと、から構成されている。穴部２２は、超音波接合時に、表層１５Ａが超音波接合ツール１６と干渉しないように、超音波接合ツール１６の押圧面１６ａより大きくなっている。
なお、他の構成は、上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００２２】
実施の形態２では、電極端子８Ａを回路パターン５に接合するには、図６に示されるように、接合層１４が回路パターン５に接するように接合部１３Ａを回路パターン５に重ね合わせる。ついで、超音波接合ツール１６を接合部１３Ａの穴部２２内に差し入れ、荷重負荷方向１７に押圧しながら振動方向１８に超音波振動を印加する。これにより、超音波接合ツール１６の突起１９が穴部２２内に露出する接合層１４に食い込み、超音波振動が接合層１４に伝達され、金属表面にあった汚れや酸化膜が除去され、回路パターン５と接合層１４とが接合される。
【００２３】
超音波接合後、穴部２２内に露出する接合層１４の表面には、図７に示されるように、突起１９の食い込みよる圧痕２０が残っている。また、超音波接合ツール１６による押圧部の真下位置、すなわち圧痕２０の真下位置に、回路パターン５と接合層１４との超音波接合部２１が形成されている。
【００２４】
半導体装置が温度変化した際に超音波接合部２１に発生する熱応力は、超音波接合部２１の外周部が最も大きくなる。実施の形態２では、ｚ軸方向から見て、表層１５Ａが、超音波接合部２１の外周部に近接して超音波接合部２１を取り囲むように配置されている。そこで、超音波接合部２１の周りの接合部１３Ａの線膨張係数が小さくなり、半導体装置の温度変化に起因して超音波接合部２１の外周部に発生する熱応力が小さくなる。また、接合層１４が回路パターン５と同じ材料で作製されているので、接合強度が大きくなる。したがって、実施の形態２においても、半導体装置の温度変化に起因する超音波接合部２１付近での破壊の発生が抑制される。
【００２５】
接合層１４の剛性は表層１５Ａの剛性より小さい。実施の形態２では、超音波接合ツール１６が剛性の小さい接合層１４を直接押圧しているので、超音波接合ツール１６に押圧される部位の塑性変形量が大きくなり、超音波接合部２１の接合強度が大きくなる。したがって、実施の形態２によれば、半導体装置の温度変化に起因する超音波接合部２１付近での破壊の発生をより抑制できる。
【００２６】
なお、上記実施の形態２では、穴部２２はｚ方向から見て四角形の穴形状に形成されているが、穴部２２は、超音波接合時に、表層１５Ａが超音波接合ツール１６と干渉しない穴形状であればよく、例えば円形、楕円形でもよい。
また、上記実施の形態２では、穴部２２が表層１５Ａを貫通するように形成されているが、穴部は表層を貫通しないように形成され、超音波接合ツール１６が接触する領域を薄肉としてもよい。
【００２７】
実施の形態３．
図８はこの発明の実施の形態３に係る半導体装置における電極端子の接合部の構成を説明する図であり、図８の（ａ）は接合部周りを示す斜視図、図８の（ｂ）は接合部周りを示す断面図である。
【００２８】
図８において、電極端子８Ｂの接合部１３Ｂは、接合層１４と、表層１５Ｂと、から構成されている。表層１５Ｂは、接合層１４側の下層２３ａと、接合層１４と逆側の上層２３ｂと、の２層構造となっている。下層２３ａは、ＣｕまたはＣｕ合金より線膨張係数の小さい材料、すなわち実施の形態１における表層１５と同じ材料で作製されている。上層２３ｂは、ＣｕまたはＣｕ合金、すなわち接合層１４と同じ材料で作製されている。さらに、上層２３ｂの厚さｔ１は、接合層１４の厚さｔ２と同じである。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００２９】
実施の形態３では、表層１５Ｂが、ＣｕまたはＣｕ合金より線膨張係数の小さい材料で作製された下層２３ａと、ＣｕまたはＣｕ合金で作製された上層２３ｂと、の２層構造に構成されているので、接合部１３Ｂの線膨張係数は、接合部がＣｕまたはＣｕ合金のみで作製されている場合よりも小さくなる。また、接合層１４が回路パターン５と同じ材料で作製されているので、接合強度が大きくなる。したがって、実施の形態３においても、半導体装置の温度変化に起因する超音波接合部２１付近での破壊の発生が抑制される。
【００３０】
実施の形態３では、表層１５Ｂが、接合層１４より線膨張係数の小さい材料で作製された下層２３ａと、接合層１４と同じ材料で、接合層１４と同じ厚さに形成された上層２３ｂと、の２層構造に構成されている。そこで、接合部１３Ｂは、その厚さ方向の中心を通る面に対して対称な構造となっており、温度が高くなった際の伸び量が、接合部１３Ｂの厚さ方向の中心を通る面の接合層１４側と上層２３ｂ側とで等しくなる。これにより、半導体装置の温度変化に起因する接合部１３Ｂの反りの発生が抑制されるので、超音波接合部２１付近での破壊の発生をより抑制できる。
【００３１】
ここで、実施の形態３では、穴部が表層１５Ｂに形成されていないが、上記実施の形態２と同様に、表層１５Ｂを貫通するように穴部を形成すれば、上記実施の形態２と同様の効果が得られる。
【００３２】
なお、本発明は、発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせることや、各実施の形態の一部を変形や省略することができる。
また、上記各実施の形態において、電極端子および回路パターンの酸化防止を目的として、電極端子および回路パターンの表面にＮｉなどのメッキ処理を施してもよい。
【符号の説明】
【００３３】
１  半導体装置、３  絶縁基板、５  回路パターン、８，８Ａ，８Ｂ  電極端子、１３，１３Ａ，１３Ｂ  接合部、１４  接合層、１５，１５Ａ，１５Ｂ  表層、１６  超音波接合ツール、２２  穴部、２３ａ  下層、２３ｂ  上層。
【図１】
2016134547.tif 000003
【図２】
2016134547.tif 000004
【図３】
2016134547.tif 000005
【図４】
2016134547.tif 000006
【図５】
2016134547.tif 000007
【図６】
2016134547.tif 000008
【図７】
2016134547.tif 000009
【図８】
2016134547.tif 000010