(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一主面上に主電極を少なくとも有する半導体チップにあって、前記主電極上に、絶縁性かつ半田濡れ性のない材料から成る保護膜を有し、前記保護膜には前記主電極の一部を露出させるべく接続用の複数の開口部が穿たれていて、前記複数の開口部を通して、外部と電流を授受する線状の複数の主配線の一端にある接続領域と前記主電極とが、それぞれ半田によって接続していて、前記接続領域の長手方向の寸法は前記半導体チップの一辺長の半分以上であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
一主面上におもに主電流を流す主電極と、制御信号を授受する制御電極とを有する半導体チップにあって、前記主電極と前記制御電極の上に、絶縁性かつ半田濡れ性のない材料から成る保護膜を有し、前記主電極上の前記保護膜には前記主電極の一部を露出させるべく接続用の複数の開口部が設けられ、前記制御電極上の前記保護膜には前記制御電極の一部を露出させる接続用の開口部が設けられている半導体チップに対して、前記主電極用の複数の開口部を通して、外部と主電流を授受する線状の複数の主配線の一端にある接続領域と前記主電極とが半田によってそれぞれ接続しており、同様に外部と制御信号を授受する線状の制御配線の一端にある接続領域と前記制御電極とが半田によって接続していて、前記主配線の接続領域の長手方向の寸法は前記半導体チップの一辺長の半分以上であることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
一主面上に、半導体基体中の第１の領域と接続する帯状の第１の主電極と、前記半導体基体中の第２の領域と接続する帯状の第１の制御電極とを有し、前記第１の主電極と前記第１の制御電極とは互いに併走しており、前記第１の主電極と前記第１の制御電極の上に絶縁膜を有し、前記絶縁膜上に前記複数の第１の主電極と前記第１の制御電極とをまたぐように略帯状の第２の主電極と、同じく略帯状の第２の制御電極とを有し、前記第２の主電極は前記絶縁膜に穿たれたスルーホールを通して前記各第１の主電極と接続しており、前記第２の制御電極は前記絶縁膜に穿たれたスルーホールを通して前記各第１の制御電極と接続しており、前記第２の主電極と前記第２の制御電極との上に、絶縁性かつ、半田濡れ性のない材料からなる保護膜を有し、前記保護膜には前記第２の主電極の一部と前記第２の制御電極の一部を露出させる接続用の開口部がそれぞれ設けられていて、前記開口部を通して、外部と主電流を授受する線状の主配線の一端にある接続領域と前記第２の主電極とが半田によって接続しており、同様に外部と制御信号を授受する線状の制御配線の一端にある接続領域と前記第２の制御電極とが半田によって接続していて、前記接続領域の長手方向の寸法は前記半導体チップの一辺長の半分以上であることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
前記主配線もしくは前記制御配線の、少なくとも前記半導体チップ上の電極と接続する前記接続領域の断面形状が、円形をなしていることを特徴とする前記請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記主配線もしくは前記制御配線の、少なくとも前記半導体チップ上の電極と接続する前記接続領域の断面形状が長方形で、かつ、前記長方形において前記半導体チップ上の前記各電極に接触する辺の長さより、前記各電極と垂直をなす辺の長さが長いことを特徴とする前記請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項６】
前記各配線のうち、前記接続領域の表面にのみ、半田濡れ性を有する金属薄膜領域を有することを特徴とする前記請求項４もしくは請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記各配線の前記接続領域において、対応する前記チップ上の前記各電極に対面した領域にのみ、半田濡れ性を有する金属薄膜領域を有することを特徴とする前記請求項４もしくは請求項５に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記金属薄膜領域が、１つの前記接続領域において長手方向に沿って複数個に分割されて存在することを特徴とする前記請求項７に記載の半導体装置。
【請求項９】
１本の前記主配線もしくは前記制御配線との接続領域用に穿たれた前記開口部が分割された前記金属薄膜領域に対応して複数に分割されていることを特徴とする前記請求項８に記載された半導体装置。
【請求項１０】
前記各配線の前記接続領域が、前記主面に平行な平面内で蛇行し、蛇行の中心線上にて前記各電極と複数箇所で接続することを特徴とする前記請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記各配線の前記接続領域が、前記主面と平行でない平面内で蛇行しており、前記蛇行部の片側の各頂点に対応して複数箇所で接続していることを特徴とする前記請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項１２】
前記各配線の前記接続領域に複数の突起を有し、前記開口部もこれに対応する位置に有する前記請求項５に記載の半導体装置。
【請求項１３】
前記突起の高さが、前記突起の幅の２倍以上であることを特徴とする前記請求項１２に記載の半導体装置。
【請求項１４】
前記各配線の前記接続領域が固定材によって相互に固定されていることを特徴とする前記請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項１５】
前記固定材が応力を吸収すべく、可撓性を有する材料からなることを特徴とする前記請求項１４に記載の半導体装置。
【請求項１６】
前記固定材が応力を吸収すべく、比較的低い応力にて塑性変形する性質を有することを特徴とする前記請求項１４に記載の半導体装置。
【請求項１７】
前記固定材と前記各配線間の応力を緩和すべく、前記固定材表面にある複数の点状の固着領域のみにて、前記各配線と前記固定材とが固着していることを特徴とする前記請求項１４に記載の半導体装置。
【請求項１８】
前記蛇行配線の最も位置が偏差した部分で、前記配線が前記固定材に複数点にて固着していることを特徴とする前記請求項１０もしくは請求項１１に記載の半導体装置。
【請求項１９】
前記固定材が、自身で応力を吸収する機能を有すべく、蛇腹状をなし、前記各配線とは点状に固着していることを特徴とする前記請求項１５もしくは請求項１６に記載の半導体装置。
【請求項２０】
前記各配線を固定すべく、前記固定材に前記各配線に対してそれぞれ少なくとも２つの孔を有し、前記各配線が前記孔を縫うように貫通していることを特徴とする前記請求項１４に記載の半導体装置。
【請求項２１】
複数ある前記各配線の前記接続領域が、前記配線の側壁すなわち前記各電極と接する面と垂直な面の間に、絶縁性の固定材をもって互いに固定しあっていることを特徴とする前記請求項５に記載の半導体装置。
【請求項２２】
前記請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体装置の構成を実現すべく、前記各開口部の位置と略々一致する位置に溝を有し、前記各配線とも前記半田とも接着しない固定治具に前記各配線を固定する工程と、固定された前記各配線の上に、対応する前記各開口部の位置が一括して略々一致するように前記半導体チップを設置する工程と、前記各電極と前記各配線との間に介在する半田が溶融し、表面張力によって前記各開口部と前記各配線の位置が自己整合するべく加熱する工程と、前記半田を固化すべく冷却する工程と、前記固定治具から前記各配線を外す工程を少なくとも有することを特徴とする前記半導体装置の製造方法。
【請求項２３】
前記請求項１４に記載の半導体装置の構成を実現すべく、前記各開口部と対応する前記各配線の位置が略々一致するように、前記固定材にて固定された前記各配線の上に前記半導体チップを乗せる工程と、前記各電極と前記各配線との間に介在する半田が溶融し、表面張力によって前記各開口部と前記各配線の位置が自己整合するべく加熱する工程と、前記溶融半田を固化すべく冷却する工程を少なくとも有することを特徴とする前記半導体装置の製造方法。
【請求項２４】
前記請求項１４に記載の半導体装置の構成を実現すべく、前記各開口部と対応する前記各配線の位置が略々一致するように、前記半導体チップの上に前記固定材にて固定された前記各配線を乗せる工程と、前記各電極と前記各配線との間に介在する半田が溶融し、表面張力によって前記各開口部と前記各配線の位置が自己整合するべく加熱する工程と、前記溶融半田を固化すべく冷却する工程を少なくとも有することを特徴とする前記半導体装置の製造方法。
【請求項２５】
前記請求項２２から請求項２４のいずれかに記載の製造工程に先立ち、前記開口部に露出した前記各電極上に半田層を形成する工程を有することを特徴とする前記半導体装置の製造方法。
【請求項２６】
前記請求項２２から請求項２４のいずれかに記載の製造工程に先立ち、前記各配線の前記接続領域上に半田層を形成する工程を有することを特徴とする前記半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力用半導体チップ上の電極と、外部電極とを接続する実装構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電力用半導体チップの実装構造、中でもチップの表面電極と外部電極との接続方法としてはワイヤボンディング法がある。その構成を説明するため、一例として特開平５−２０６４４９号公報に開示されている図を、図２７と図２８に引用する。図２７は電力用半導体モジュールのうち、外殻等を取り除き、半導体チップが実装されている基板部分を露出させて上方から見た平面図である。図２８は図２７中の線分Ａ−Ａ´を含み、紙面に垂直な平面で切った断面図である。これらの図中の構造のうち、本発明に関連する部分のみ説明する。なお、呼称および図中番号は前記公報の記載主旨を逸脱しない範囲で適宜変更してある。これら図中、番号３は縦型電力用半導体チップで、ここではＩＧＢＴである。その表面にある１は主電流の流れる主電極であるエミッタ電極、２は制御電極である絶縁ゲート電極である。半導体チップ３の裏面にはコレクタ電極２３があり、半田（図示せず）などによって緩衝板８と接続され、さらに緩衝板８はモジュールの基板を兼ねた銅板などからなる板状のコレクタ電極板３３と半田６によって電気的に接続されている。さらに、コレクタ電極板３３の上には、絶縁板５１を挟んでエミッタ用電極板３１が、同じく絶縁板５２を挟んで外部ゲートパッド３２が、前記半導体チップ１に隣接するように設置されている。そして、半導体チップ３上のエミッタ電極１とエミッタ用電極板３１との間、同じくゲート電極２とゲート用電極板３２との間は、アルミなどからなるワイヤ６１、６２によってそれぞれ電気的に接続されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このようなワイヤボンディングによる接続方法は広く用いられているものであるが、ワイヤには通電抵抗による発熱から溶断がおこるため、１本のワイヤに流せる電流には上限がある。そのため、電流容量の大きな高性能の半導体チップには多数のワイヤを打たねばならず、実装コストが増加し、接続点数が増えて信頼性を確保するのが難しくなってくる。また、ワイヤのボンディング方法は、アルミ製ワイヤなら超音波ボンディング法、金ワイヤなら溶融圧着法などによるが、いずれも半導体チップに対して加圧や衝撃などを印加するため、やはり信頼性確保に十分な配慮が必要であった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記した課題に鑑みてなされたもので、前記特許請求の範囲に記載した構成とする。
【０００５】
すなわち、前記請求項１においては、適用する半導体チップとして電力用ダイオードチップを想定したもので、一主面上に主電極（たとえばアノード電極）を有する半導体チップ（ここではダイオードチップ）にあって、前記主電極上に絶縁性かつ半田濡れ性のない材料から成る保護膜を有し、前記保護膜には前記主電極の一部を露出させる接続用の開口部が開けられていて、前記開口部を通して外部と電流を授受する線状の主配線の一端部にある接続領域と前記主電極とが、接続に衝撃や加圧を要しない半田によって接続している。また、従来技術であるワイヤボンディングが半導体チップ上の電極とは点状に接続していたのに対し、本発明では前記接続領域の長手方向の寸法が前記半導体チップの一辺長の半分以上にわたる大きな面積で接続する構成とする。なお、これは後記図１から図３を使って説明する。
【０００６】
さらに、前記請求項２においては、適用する半導体チップとしてたとえば縦型ＭＯＳトランジスタチップを想定したもので、一主面上に主に主電流を流す主電極（ここではソース電極）と、制御信号を授受する制御電極（ここでは絶縁ゲート電極）とを有する半導体チップ（ここではＭＯＳトランジスタチップ）にあって、さらに前記主電極と前記制御電極の上に絶縁性かつ半田濡れ性のない材料から成る保護膜を有し、前記保護膜には前記主電極の一部ならびに前記制御電極の一部を露出させる接続用の開口部がそれぞれ設けられていて、前記開口部を通して、外部と主電流を授受する線状の主配線の一端にある接続領域と前記主電極とが半田によって接続しており、同様に外部と制御信号を授受する線状の制御配線の一端にある接続領域と前記制御電極とが半田によって接続している。そして、本発明では前記各接続領域の長手方向の寸法が前記半導体チップの一辺長の半分以上にわたる大きな面積で接続する構成とする。なお、これは後記図４と図５を使って説明する。
【０００７】
さらに、前記請求項３においては、適用する半導体チップとして、チップ上に２層金属電極を有するトランジスタチップを想定したもので、一主面上に、半導体基体中の第１の領域（たとえば、前記半導体基体中のエミッタ領域）と接続する帯状の第１の主電極と、前記半導体基体中の第２の領域（たとえば前記半導体基体中のベース領域）と接続する帯状の第１の制御電極とを有し、前記第１の主電極と前記第１の制御電極とは互いに併走しており、これらの上に絶縁膜を有し、その上に前記複数の第１の主電極と前記複数の第１の制御電極とをまたぐように略帯状の第２の主電極と第２の制御電極とを有し、前記第２の主電極は前記絶縁膜に穿たれたスルーホールを通して前記各第１の主電極と接続し、前記第２の制御電極は前記絶縁膜に穿たれたスルーホールを通して前記各第１の制御電極と接続し、前記第２の主電極と前記第２の制御電極の上に絶縁性かつ、半田濡れ性のない材料からなる保護膜を有し、前記保護膜には前記第２の主電極の一部と前記第２の制御電極の一部を露出させる接続用の開口部がそれぞれ設けられていて、前記開口部を通して、外部と主電流を授受する線状の主配線の一端にある接続領域と前記第２の主電極とが半田によって接続しており、同様に外部と制御信号を授受する線状の制御配線の一端にある接続領域と前記第２の制御電極とが半田によって接続している。そして、前記接続領域の長手方向の寸法が前記半導体チップの一辺長の半分以上にわたる大きな面積で接続する構成とする。なお、これは後記図６から図９を使って説明する。
【０００８】
さらに、前記請求項４においては、前記請求項１から請求項３のそれぞれの構成に加え、前記半導体チップ上の前記開口部において、前記配線の前記端部の長手方向に直角な方向に測った前記開口部の幅が、前記配線の前記端部における断面の幅の２倍以下である構成とする。なお、これはたとえば後記図１２にて説明する。
【０００９】
さらに、前記請求項５においては、前記請求項１から請求項３のそれぞれの構成に加え、前記主配線もしくは前記制御配線の少なくとも前記半導体チップ上の電極と接続する前記接続領域の断面形状が、円形をなしている構成とする。なお、これは後記図３を使って説明する。
【００１０】
さらに、前記請求項６においては、同じく前記請求項１から請求項３のそれぞれの構成に加え、前記主配線もしくは前記制御配線の、少なくとも前記半導体チップ上の電極と接続する前記接続領域の断面形状が長方形で、かつ、前記長方形において前記半導体チップ上の前記各電極に接触する辺の長さより、前記各電極と垂直をなす辺の長さが長い構成とする。なお、これは後記図１６を使って説明する。
【００１１】
さらに、前記請求項７においては、前記請求項５もしくは請求項６の構成に加え、前記各配線をたとえば安価もしくは取り扱いが容易などの点から半田濡れ性に乏しい金属を使い、前記接続領域にのみ、半田濡れ性を有する金属薄膜領域を有する、構成とする。なお、これは後記図１０を使って説明する。
【００１２】
さらに、前記請求項８においては、前記請求項５もしくは請求項６の構成に加え、前記各配線の前記接続領域において、対応する前記チップ上の前記各電極に対面した領域にのみ、半田濡れ性を有する金属薄膜領域を有する、構成とする。なお、これは後記図１１、図１２、図１７などを使って説明する。
【００１３】
さらに、前記請求項９においては、前記請求項８の構成に加え、前記金属薄膜領域が、１つの前記接続領域において長手方向に分割されて複数存在する構成とする。なお、これは後記図１３と図１５を使って説明する。
【００１４】
さらに、前記請求項１０においては、前記請求項５もしくは請求項６の構成に加え、１本の前記主配線もしくは前記制御配線の接続領域用に穿たれた前記開口部が、複数に分割されている構成とする。なお、これも後記図１３と図１４を使って説明する。
【００１５】
さらに、前記請求項１１においては、前記請求項１から請求項３の構成に加え、前記各配線の前記接続領域が、前記主面に平行な平面内で蛇行し、蛇行の中心線上にて前記各電極と複数箇所で接続する構成とする。なお、これは後記図１４を使って説明する。
【００１６】
さらに、前記請求項１２においては、前記請求項１から請求項３のそれぞれの構成に加え、前記各配線の前記接続領域が、前記主面と平行でない平面内で蛇行しており、前記蛇行部の片側の頂点に対応して複数箇所で接続している構成とする。なお、これは後記図１５に相当する。
【００１７】
さらに、前記請求項１３においては、前記請求項６の構成に加え、前記各配線の前記接続領域に複数の突起を有し、前記開口部もこれに対応する位置に有する構成とする。なお、これは後記図１８に対応する。
【００１８】
さらに、前記請求項１４においては、前記請求項１３の構成に加え、前記突起の高さが、前記突起の幅の２倍以上である構成とする。なお、これは後記図１８を使って説明する。
【００１９】
さらに、前記請求項１５においては、前記請求項１から請求項３のそれぞれの構成に加え、前記各配線の前記接続領域が固定材によって相互に固定されている構成とする。なお、これは後記図２０と図２１を使って説明する。
【００２０】
さらに、前記請求項１６においては、前記請求項１５の構成に加え、前記固定材が応力を吸収すべく、可撓性を有する材料からなる構成とする。
【００２１】
さらに、前記請求項１７においては、前記請求項１５の構成に加え、固定材が応力を吸収すべく、比較的低い応力にて塑性変形する性質を有する構成とする。
【００２２】
さらに、前記請求項１８においては、前記請求項１５の構成に加え、前記固定材と前記各配線間の応力を緩和すべく、前記固定材表面にある複数の点状の固着領域のみで、前記各配線と前記固定材とが固着している構成とする。なお、これは後記図２２などを使って説明する。
【００２３】
さらに、前記請求項１９においては、前記請求項１１もしくは請求項１２の構成に加え、前記蛇行配線の最も位置が偏差した部分で、前記配線が前記固定材に複数点で固着している構成とする。なお、これは後記図２２、図２３を使って説明する。
【００２４】
さらに、前記請求項２０においては、前記請求項１６と請求項１７のそれぞれの構成に加え、前記固定材自身が応力吸収の能力を有すべく蛇腹状をなし、前記各配線とは点状に固着している構成とする。なお、これは後記図２４を使って説明する。
【００２５】
さらに、前記請求項２１においては、前記請求項１５の構成に加え、前記各配線を固定すべく、前記固定材に前記各配線に対してそれぞれ少なくとも２つの孔を有し、前記各配線が前記孔を縫うように貫通している構成とする。なお、これは後記図２５を使って説明する。
【００２６】
さらに、前記請求項２２においては、前記請求項６の構成に加え、複数ある前記各配線の前記接続領域が、前記配線の側壁すなわち前記各電極と接する面と垂直な面の間に、絶縁性の固定材をもって互いに固定しあっている構成とする。なお、これは後記図２６を使って説明する。
【００２７】
さらに、前記請求項２３においては、前記請求項１から請求項３の構成を実現すべく、前記各配線とも前記半田とも接着しない固定治具に前記配線を固定する工程と、固定された前記各配線の上に、対応する前記各開口部が略々一致するように前記半導体チップを設置する工程と、前記各電極と前記各配線との間に介在する半田が溶融し、表面張力によって前記各開口部と前記各配線の位置が自己整合するべく加熱する工程と、前記半田を固化すべく冷却する工程と、前記固定治具から前記各配線を外す工程を少なくとも有する製造方法とする。
【００２８】
さらに、前記請求項２４においては、前記請求項１５の構成を実現すべく、前記電極の開口部と対応する前記各配線の位置が略々一致するように、前記固定材にて固定された前記各配線の上に前記半導体チップを乗せる工程と、前記各電極と前記各配線との間に介在する半田が溶融し、表面張力によって前記各開口部と前記各配線の位置が自己整合するべく加熱する工程と、前記溶融半田を固化すべく冷却する工程と、を少なくとも有する製造方法とする。
【００２９】
さらに、前記請求項２５においては、前記請求項１５の構成を実現すべく、前記電極の開口部と対応する前記各配線の位置が略々一致するように、前記半導体チップの上に前記固定材にて固定された前記各配線を乗せる工程と、前記各電極と前記各配線との間に介在する半田が溶融し、表面張力によって前記各開口部と前記各配線の位置が自己整合するべく加熱する工程と、前記溶融半田を固化すべく冷却する工程と、を少なくとも有する製造方法とする。
【００３０】
さらに、前記請求項２６においては、前記請求項２３から請求項２５の構成に加え、接続のために溶融する前の半田領域をあらかじめ前記半導体チップ側の前記開口部に露出した前記各電極上に形成する工程を有する製造方法とする。
【００３１】
さらに、前記請求項２７においては、前記請求項２３から請求項２５の構成に加え、接続のために溶融する前の半田領域をあらかじめ前記各配線の前記接続領域に形成する工程を有する製造方法とする。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面を用いて詳しく説明する。
【００３３】
本発明の第１の実施の形態
まず、本発明第１の実施の形態について図１から図１５を用いて説明する。本発明は電力用半導体チップ上の電極と、これに接続する外部配線との接続構造に要点がある。そこでまず、本発明が適用される実施例として３つの異なる形態の半導体チップに対しての実装構造の概要を説明する。
【００３４】
図１は本発明をダイオードチップに適用した場合の一例であり、図全体はダイオードチップを登載した電力用モジュールの一部の斜視図である。図２は配線が実装される前の、半導体チップの表面図である。これら図中、番号３は半導体チップであり、ここではダイオードチップである。これはセラミクスからなる絶縁基板４の上に貼られた電極板３３（ここではカソード電極）に半田などによって電気的に接続されている。なお、電極板３３は厚さ数百μｍの銅箔もしくはアルミ箔からなり、これに続く配線４３は、図示していないがモジュールの外部と電気を授受する端子（ここではカソード端子）へと至る。
【００３５】
半導体チップ３の表面には主電極１があり、チップ表面のほぼ全面に及んでいる。さらにその上を保護膜１０が覆っている。この保護膜１０には主電極１が外部配線と接続するための開口部１１があいている（図２のみに示す）。図１中の２１はチップ上の主電極１（ここではアノード電極）と接続する主配線で、前記開口部１１（図１には描いてない）を通して主電極１と図のようにチップのほぼ一辺長にわたりベッタリと接続している。図２に示すように開口部１１は、ほぼチップの一辺長にわたって細長く形成されている。
【００３６】
なお、この主配線２１の半導体チップ側の電極と接続する接続領域を２１Ａと呼ぶことにする。さらに主配線２１の他端を２１Ｂと呼ぶことにするが、これは絶縁基板４上にあって前記電極板３３とは分離された電極板３１と接続している。
【００３７】
さらに、図１中でこれに続く配線４１は、図示していないがモジュールの外部と電気を授受する端子（ここではアノード端子）へと至る。
【００３８】
５１は絶縁基板４と電極板３１との間に挿入された、配線接続部の高さ調節用の絶縁材である。なお、図では電極板３１の高さが半導体チップ３の表面より高く描かれているが、同じ高さでもよいし、製造装置等の事情が許せば省いてもよい。
【００３９】
図３は、図１中の線分Ｘ−Ｘ´を含み、半導体チップの主面に垂直な面で切った断面図である。５は主電極１と主配線２１Ａとを接続する半田層である。１０は絶縁性の保護膜である。また、半田は隣り合った電極同士を架橋しないようにしなければならないので、保護膜１０は半田濡れ性が著しく低く、半田を弾く性質をもつものとする。なお、本実施の形態においては、主配線の断面形状は図３中のように円形をなし、その直径は数百μｍである。この直径は、１本の配線が集電する電流による溶断限界などから決まる。また、配線は全域に渡ってこのように断面形状が円形でも構わないが、少なくとも接続領域２１Ａの断面が円形ならば、その他の部分の断面形状は任意である。
【００４０】
次に図４は、本発明をＭＯＳ型デバイスチップに適用した場合の一例であり、図１と同様のものを示す斜視図、図５は図２と同様のものを示す表面図である。図中の番号は、前記図と同じものを示す。ただし、ここでは半導体チップ３はＭＯＳトランジスタチップであり、主電極１はソース電極であり、４１はモジュールのソース端子へ至る。さらに、２は制御電極（ここでは絶縁ゲート電極）であり、保護膜１０には制御電極２用の孔１２があいており、これに制御配線２２の接続領域２２Ａが接続している。制御配線２２の他端２２Ｂは、絶縁基板４上にある前記電極板３３とは分離された電極板３２と接続している。なお、図４中でこれに続く配線４２は、図示していないがモジュールの外部と電荷を授受する端子（ここではゲート端子）へと至る。５２は前記５１と同様の高さ調節用の絶縁材である。図５は図２とほとんど同様の形態をしており、たとえば主電極１と主たとえば図１の主配線２１との接続形態は、前記図３とまったく同じである。
【００４１】
次に図６は、本発明を表面に二層金属配線をもつトランジスタチップに適用した場合の一例であり、図全体は前記図４と同様のものを示す斜視図、図７は図５と同様のものを示す表面図である。図中の番号は、前記図と同じものを示す。ただし、ここでは半導体チップ３はトランジスタチップであり、主電極１はエミッタ電極であり、制御電極２はベース電極である。
【００４２】
ここで、二層金属配線構造について簡単に説明する。一般のトランジスタチップの表面に単層の金属膜を加工して形成したエミッタ電極とベース電極とをもつ。が、このような構成ではトランジスタの性能たとえば電流容量を高くしようとした場合、ボンディングパッドなど非活性領域の面積が嵩み、チップ単位面積あたりの電流容量が思ったほど増えない。そこで、表面電極を二層化し活性領域上に直接、外部配線を接続する方式をとると、チップの面積利用率を向上させることができる。図８は下層電極の様子を示した表面図である。９１は半導体中のエミッタ領域（図示せず）と接続する下層エミッタ電極、９２は同じく半導体中のベース電極（図示せず）と接続する下層ベース電極で、ともに図のように交互に配置された帯状をなす。これら電極の幅はトランジスタの単位セルのサイズに合わせて数十μｍであり、この上にワイヤボンディングその他の方法を使って直接電極を外部へ引き出すには狭すぎるし、出来たとしても接続点数があまりに多くなる。そこで、これら電極の上に層間絶縁膜（図示せず）を形成し、さらにその上に金属膜を形成して図８のような電極構成になるようにパターニングする。この上部の主電極１（ここではエミッタ電極）と制御電極２（ここではベース電極）も交互に配置された帯状をなしているが、外部電極との接続を容易にすべく、その幅は数百μｍ〜数ｍｍである。なお、図８中の破線領域は、図７中に描いた主電極１と制御電極２の位置を示したものである。上層電極のうち主電極１であるエミッタ電極は、その交差した直下にある下層エミッタ電極９１と、層間絶縁膜（図示せず）に開けた孔（図示せず）を通して電気的に接続しており、同じく上層電極のうち制御電極２であるベース電極は、その交差した直下にある下層ベース電極９２と、層間絶縁膜（図示せず）に開けた孔（図示せず）を通して電気的に接続している。エミッタ電極１の下部に位置する下層ベース電極９２や、ベース電極２の下部に位置する下層エミッタ電極９１は、前述の単層膜電極による場合と同様、所謂フィンガー状電極となる。このような電極構造には、外部から衝撃を加えずに外部配線が接続できる本発明のような実装構造がとくに有効である。
【００４３】
図９は前記図３に対応し、図６中の線分Ｘ−Ｘ´で切った断面における半導体チップ上の電極と、対応する配線との関係に示す断面図である。なお、ここでは要点のみを説明するため、表面電極から上の構造のみを示す。図中番号は、図３と同じものを示す。
【００４４】
以上、図１、図４、図６に示した半導体チップとその実装構造は、本質的には図３ならびに図９に示す断面図にてほぼ説明できる。チップ表面の状態を示す図２、図５、図７も事情は同等で、図２によってほぼ代表できる。よって以降、特段の区別を必要としないかぎり、図１、図２、図３等を用いて本発明を説明する。
【００４５】
半導体上の電極へ外部電極を接続する方法として、従来はアルミワイヤを超音波ボンディングする方法や、金ワイヤを熱圧着する方法などがあったが、これらの方法では各接続点の電流容量に限界があり、電流密度が高い半導体チップに適用すると接続点数が増加して接続信頼性が低下してしまう。さらに実装時に半導体チップに衝撃が加わることから、信頼性確保にコストがかかった。が、上記のような本発明の実施の形態によれば、配線と半導体上の電極とを点状ではなく線状に接続するので接続点数が格段に少なく、また、半田にて接続するので、衝撃なく実装することができる。さらに、表面電極が入り組んでいる半導体チップでも難なく実装できる。また、接続には溶融半田の表面張力を利用した自己整合作用を使うので、配線とチップとの間の位置合わせ制度も、それほど精度を必要とせず、比較的簡便に実施できる。なお、この効果を得るべく、接続領域の長手方向の寸法は、少なくともチップの一辺長の半分以上であることが望ましい。
【００４６】
ところで、配線２１もしくは配線２２は初めから半田濡れ性をもった金属でもよいが、たとえば図１０に示すように、配線の基体としてそれ自身は半田濡れ性に乏しいが、安価で塑性があるなど扱いやすいアルミなどの金属で構成し、これにメッキ法などによって半田濡れ性の高い金属薄膜２０を少なくとも半導体チップ上電極と接続する領域にのみ形成する構成でもよい。また、蒸着法によっても実現できるが、この場合は金属薄膜２０は片側のみに形成するになる。
【００４７】
あるいは、さらにマスクを使って図１１のように限定した領域にのみ金属薄膜２０を蒸着形成すると、さらに有効である。さらに、図３では保護膜１０にあけた開口部の幅をワイヤ径と同等かそれよりやや小さくすることにより、隣り合う配線間の半田ブリッジを避けながら距離を節約し、半導体チップ上の配線密度を高めることもできる。さらに半田量を適宜調節して図１２のように電極と配線とを接触しないようにし、半田の断面形状を所謂「樽型」にすることによって、信頼性を向上させることができる。このような効果を狙う場合は、図１２における開口部の幅は、少なくとも配線の幅（この場合は直径）の２倍以下であることが望ましい。
【００４８】
以上、説明した実施の形態では、配線（たとえば図１の主配線２１）は半導体チップ上の電極（たとえば主電極１）とほぼチップの一辺長に渡って接続しているが、この事により配線の長手方向の応力が諸特性に影響を及ぼす心配がある場合には、たとえば図１３のようにする方策がある。図１３は、図２に対応するもので、すなわち１本の主配線２１が主電流に接続できる開口部１１が複数に分割されている構成である。また、図示はしないが、配線側の前記金属薄膜２０も、これに対応した部分にのみ存在するようにすれば、さらに効果的である。たとえば、図１３の各開口部１１の形状を円形もしくは略正方形になるまで小さくかつ多数に分割し、これに対応して前記金属薄膜２０も同様に形成すれば、ＩＣにおけるバンプ技術が有する効果と同じ効果を期待することができる。もちろん、開口部が長方形でも同じ効果が利用できる。
【００４９】
そのほか、接続部の応力緩和策としては図１４のように配線を蛇行させる方策もある。図１４は、蛇行した主配線２１が実装されている半導体チップを上方から見た図であるが、このように配線が蛇行していれば、配線と半導体チップとの間の熱膨張係数に違いを、配線の蛇行部が伸び縮みすることで吸収する。なお、図中に破線で示した円形は半田による接続領域である。この場合、配線全域が半田濡れ性をもっていても構わないが、たとえばこの円形領域のみが半田濡れ性を有する金属薄膜２０が存在する領域と考えても構わない。このように蛇行の振幅の中心線上でのみ配線と半導体チップ上の電極とが接続する構成になっている。
【００５０】
また、図１５のような方法もある。これは前記図３とは直角な方向すなわち配線の長手方向に沿った半導体チップの断面と、これに接続する配線を示した図で、半導体チップの主面に垂直な方向に配線が蛇行している。もちろん、必ずしもきっちり垂直でなくても、要は主電極の平面と平行でなく、配線の蛇行と複数点で接続するならば角度は本質ではない。なお、この場合に開口部１１は、図２のようであっても、あるいは図１４のように個々の接続部に個別になっていても、どちらでも構わない。
【００５１】
なお、以上の説明は図１に関連した形態を使って説明したが、もちろん、図４や図６のような形態においても何ら区別するところなく適用できる。
【００５２】
本発明の第２の実施の形態
次に、本発明第２の実施の形態について図１６から図１８を用いて説明する。なお、本説明においても、とくに断らないかぎり図１に関連する形態を使って説明する。
【００５３】
以上で説明した実施の形態においては、各配線の断面形状が円形のものを用いて説明してきた。が、各配線の接続領域（たとえば２１Ａなど）の断面形状は、たとえば図１６に示すように長方形でもよい。この図は前記図３に対応する断面図で、主電極１と対面する辺の長さ（以下、短辺という）より、これと垂直な辺の長さ（以下、長辺という）を長くしている点に特徴がある。このような断面形状にすることにより、配線の電流容量を向上させることができる。なお、前記図１２同様、図１７に示すように配線の基体には半田濡れ性のない金属を使い、少なくとも半導体チップへと対面する領域のみ、半田濡れ性のある金属薄膜２０を有する構成にすると、配線位置と開口部位置の自己整合力を高め、隣の配線との半田ブリッジを効果的に抑制することができる。
【００５４】
また、前記図１２にて説明したように、ここでもチップ上の開口部１１の幅を、前記配線の短辺の幅以上２倍以下とし、半田の体積を適宜調節することにより、溶融半田の表面張力をより有効に利用することができ、また、半田ブリッジを防止しつつ、半導体チップ上の配線密度を向上させることができる。
【００５５】
また、本実施の形態でも、配線は半導体チップ上の電極とほぼチップの一辺長に渡って接続しているが、この事により配線の長手方向の応力が諸特性に影響を及ぼす心配がある場合には、図１８のようにする方策がある。図１８は、図１５に対応する断面図で、配線２１は随所に突起２９をもっており、保護膜の開口部１１もこれに対応した位置にある。また、このような構成においては、突起の高さＨが突起の幅Ｗ（いずれも、図中に両矢印で示した長さ）の２倍以上とすると応力を吸収する効果が高い。
【００５６】
なお、以上の説明は図１に関連した形態を使って説明したが、もちろん、図４や図６のような形態においても何ら区別するところなく適用できる。
【００５７】
次に、上記第１と第２の実施の形態における半導体チップと配線の接続方法について説明する。まず、図１９に示すような、前記各配線とも半田とも接着しない、たとえば炭素セラミクス製の固定治具７０を用意する。固定治具７０の表面には配線を固定するための溝が切ってあり、たとえば配線断面形状の半分程度がこの溝に埋没するようになっている。
【００５８】
次に、この治具と配線の上に半導体チップ３を、電極１がある側を下にして乗せる。このとき、図示はしないが配線側もしくは半導体チップの電極側のいずれかもしくは両方に、あらかじめ適量の半田が蒸着などによって形成されている。また、配線とチップ上の開口部との位置は略々一致していればよい。
【００５９】
次に、この構造を加熱し半田を溶融させる。すると、溶融半田の表面張力により、両者の位置は自己整合してゆく。この現象は、たとえばＩＣチップの実装である半田バンプ法と同様である。
【００６０】
その後、冷却し、固定治具７０から配線を外し、図１に示したような構造を実現すべく次工程へ進める。
【００６１】
本発明の第３の実施の形態
次に、本発明第３の実施の形態について、図２０から図２４を用いて説明する。以上で説明したような接続構造をもつ半導体装置を実現するときの事を考えると、複数ある配線を少なくともチップと接続する領域だけでもあらかじめ固定しておく方がやりやすい。図２０は、そのような構成を示したもので、図４に対応する斜視図であり、半導体チップと配線など本実施の形態の本質の部分のみを描いた。図中、７が固定材であり、各配線は固定材と固着している。図中、番号７７は配線と固定材７との固着部である。固着部は、配線と固定材が直接接着していてもよいし、外部から外力を加えて塑性変形せしめて固定してもよいし、固定材の微小領域にのみ半田濡れ性のある部分を設けて半田にて接着してもよい。基本的には、上述した固定材はいかなる断面形状の配線に対しても適用できるし、固定材７自身もいかなる形態でもよい。図中では固定材７は細い部材を２本使っているが、このようにすると固定材７と各配線２１間の応力を最小限に留めることが出来る。もちろん、図２１のように、板状の固定材と、各配線の接続領域のうち半田が接していない大半の部分で固着している構成でも構わない。
【００６２】
図２０以外の応力緩和方法としては以下のような方法がある。たとえば、板状の固定材を使った場合でも図２２のように固定材に対して配線が所々で固着されているだけなら、応力の問題を回避できる。図２２は、固定板と配線の関係を示す平面透視図である。この図では、蛇行している主配線２１と板状固定材７とが、配線の蛇行の最大振れ幅の部分でのみ、ところどころ点状に固定材と固着している。破線の円形で示した部分が、蛇行する配線と固定材７との固着領域７７である。この部分における接着は、接着剤によってもよいし、配線をプラスチック製の固定材に部分的に埋め込むことによってもよいし、図示はしないが固定材表面に半田濡れ性のある領域を形成し、判断によって配線を接着してもよい。これと前述の図１４における配線の蛇行の中心線上で点状に半導体チップ上の電極と接続する構成を組み合わせれば、半導体チップと配線、配線と固定材の両方について、応力を緩和できる。
【００６３】
また、図２３のように、配線が半導体チップに対して縦に蛇行している前記図１５の構造に加え、図のように固定材と固着している構成も、両者の応力緩和に有効である。
【００６４】
なお、固定材７は基本的に絶縁性物質よりものが好ましいが、導電性であっても、固着領域７７が絶縁を保っていれば問題ない。例外として図１のようなダイオードチップすなわち表面電極に１種類の配線しかない場合は、固着領域７７が導電性をもっていて、固定材も導電性であっても当然構わない。
【００６５】
また、別の方策として、固定材７自身にその形状・形態にかかわらず、撓って応力を吸収してくれる性質のものを用いることも有効である。そのような材料の例としては、絶縁性の材質ならば、たとえばポリイミド系プラスチック。導電性の材料ならば、たとえばリン青銅などがある。
【００６６】
あるいは比較的低い応力で塑性変形して応力を吸収するような性質のものでもよい。例として絶縁性の材料ならばある種の粘度様プラスチックもしくは複合材、導電性材料ならばアルミ箔などである。さらには、それほど高い可撓性や弾性限界応力が低くなくても、たとえば図２４に示すように固定材が蛇腹状になっていれば、同様に応力を吸収できる。要は、後述するように溶融半田による半導体チップと各配線の自己整合作用が働いている間にかかる力にはほぼ剛体として働き、熱膨張係数の差異によって生じるごく僅かな歪みに対しては弾性体もしくは塑性変形体とみなせるような性質を持ち合わせていればよい。これは上記の材質よりなる固定材の厚みや形状などを調節することで設計可能である。
【００６７】
本発明の第４の実施の形態
次に、本発明第４の実施の形態について、図２５を用いて説明する。前述の方法では、配線を固定材に固着したが、本実施の形態では板状の固定材７に孔１８が穿たれており、これを縫うように配線を通すことで、配線を固定材に固着することなく、実質上の配線固定を実現する。固定板の孔は、図のように１本の配線につき最低２つ必要で、適宜必要な数を用意する。さらに、図示はしないが固定材の表面に、実装時に使った前記固定治具７０にあるような、配線の位置を整えるための溝が形成されていてもよい。また、これも図示はしないが前記図１５のように蛇行する配線を、多数の孔のあいた固定材に縫い込むようにしてもよい。このような構成とすれば、板状の固定材７と配線との間は固着していないので、両者の間の応力は配線が孔を僅かに出入りすることにより軽減される。
【００６８】
本発明の第５の実施の形態
次に、本発明第５の実施の形態について、図２６を用いて説明する。図２６は前記図１７に対応する配線の断面図である。この形態は前述の固定方式とは異なり、断面形状が長方形の配線を用い、各配線のチップ上の電極とは接しない側壁に面して、隣接する配線間に板状の固定材をもち、積層構造をなす構成である。このようにすると、配線断面の長方形の長辺を短辺より頗る大きくして配線の電流容量を増やすことができる。また、長辺が大きいと配線同士で対面する面積が増え、配線間容量が増加するが、ある程度以上の高速な信号変化が半導体チップや回路全体にとって有利に働かない場合は、配線間容量の増加は配線間インダクタンスの低下にもつながり、かえって都合良く働く場合もある。なお、この場合も固定材は側壁全面にあっても、ごく一部のみに存在し、配線相互の固定をしつつ、配線と固定材間の膨張係数の差異による応力の発生を回避することもできる。
【００６９】
次に、上記第３から第５の実施の形態における半導体チップと配線の接続方法について説明する。まず、各配線は固定材７に既に固定されているとする。この固定材と各配線の複合体を、前記配線が上になるようにし、この上に半導体チップ３を乗せる。このとき、図示はしないが配線側もしくは半導体チップの電極側に、すでに必要な半田が蒸着などによって形成されているものとする。また、配線とチップ上の開口部との位置は略々一致していればよい。
【００７０】
次に、この構造を加熱し半田を溶融させる。すると、溶融半田の表面張力により、両者の位置は自己整合してゆく。この工程は前記第１、第２の実施の形態の実装工程と同様である。その後、冷却する。
【００７１】
また、逆に半導体チップ上に、すでに組み上がった配線と固定材の複合体を乗せる方法もある。
【００７２】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によれば半導体チップ上の電極と外部配線との接続方法であるワイヤボンディング法と比べ、接続の実現に際して半導体チップにダメージを与えない、という効果がある。また、配線数を軽減することができ、その点で接続信頼性が増す。加えて、複数の配線を比較的容易な技術にて一括実装できることから、実装コストが軽減する。
【００７３】
また、前記請求項１から請求項３に示すように、電力用半導体チップの表面電極パターンがいなかるものであっても利用できる。
【００７４】
さらに、前記請求項４によれば、溶融半田による半導体チップと配線の位置の自己整合性を高めることができ、実装がより簡便になる。
【００７５】
さらに、前記請求項５によれば、配線として断面形状が円形の所謂ワイヤが利用できることから、安価かつ簡便に実現できるという利点がある。
【００７６】
さらに、前記請求項６によれば、配線として断面形状が長方形の素材を使うことにより、半導体チップへの実装密度を高め、同時に電流密度を向上させることができる。とくに前記請求項２２によれば、この効果を最大限に引き出すことが出来る。
【００７７】
さらに、前記請求項７および請求項８によれば、配線材として半田濡れ性より安価もしくは適度な塑性を有するなど扱いやすいなどを性質を優先させて金属を選択でき、かつ、半導体チップとは半田接続が可能になる。
【００７８】
さらに、前記請求項９から請求項１４によれば、半導体チップと配線間の膨張係数差などからくる応力を緩和することができ、接続信頼性を高めることができる。
【００７９】
さらに、前記請求項１５から請求項２３によれば、各配線を固定材によってあらかじめ固定することによって実装を簡便にでき、さらに固定材と配線との間の応力も緩和し、信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明第１の実施の形態を示す斜視図である。
【図２】前記図１における半導体チップの表面図である。
【図３】半導体チップ上の電極と配線との接続部の様子を示す断面図である。
【図４】本発明第１の実施の形態の変形例を示す斜視図である。
【図５】前記図４における半導体チップの表面図である。
【図６】本発明第１の実施の形態の別の変形例を示す斜視図である。
【図７】前記図６における半導体チップの表面図である。
【図８】前記図６の半導体チップの下層電極を示した表面図である。
【図９】前記図６における半導体チップ上の電極と配線との接続の様子を示す断面図である。
【図１０】前記図３に対応した変形例を説明する断面図である。
【図１１】前記図１０の変形例を説明する断面図である。
【図１２】前記図３に対応した別の変形例を説明する断面図である。
【図１３】前記図２に対応した変形例を説明する表面図である。
【図１４】配線が実装された半導体チップを上から見た、変形例の表面図である。
【図１５】配線が実装された半導体チップを横から見た、別の変形例の断面図である。
【図１６】本発明第２の実施の形態を説明する、前記図３に対応する断面図である。
【図１７】変形例を説明する断面図である。
【図１８】別の変形例を説明する断面図である。
【図１９】実装時に使用する治具の斜視図である。
【図２０】本発明第３の実施の形態を示す斜視図である。
【図２１】変形例を説明する、斜視図である。
【図２２】さらに別の変形例を説明する、平面図である。
【図２３】さらに別の変形例を説明する、断面図である。
【図２４】さらに別の変形例を説明する、断面図である。
【図２５】本発明第４の実施の形態を説明する、断面図である。
【図２６】本発明第５の実施の形態を説明する、断面図である。
【図２７】従来性を説明する表面図である。
【図２８】従来例を説明する断面図である。
【符号の説明】
１ … 主電極
２ … 制御電極
３ … 半導体チップ
４ … 絶縁基板
５ … 半田層
７ … 固定材
８ … 緩衝板
９ … 層間絶縁膜
１０ … 保護膜
２０ … 金属薄膜
２１ … 主配線
２２ … 制御配線
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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