JP2007335632A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】単純な構成を有すると共に容易に製造することができる半導体装置を提供する。
【解決手段】第１外部電極１０は、その一部がケース９の側壁９ａに埋設された本体部１２と、本体部１２の一端からケース９の内方に向かって突出形成された接合部１３とを有している。第１外部電極１０の接合部１３は、本体部１２よりも小さい厚さを有するように形成され、接合部１３の先端部分が絶縁基板２の配線パターン４上に超音波接合により直接に接合されている。したがって、接合部１３を配線パターン４上に接合するのに必要な荷重及び超音波振動を小さく抑えることができ、これにより、絶縁基板２の絶縁部材３に損傷を生じることなく第１外部電極１０が絶縁基板２の配線パターン４上に直接に接合される。
【選択図】図１

Description

この発明は、絶縁基板の上に半導体素子が配置される半導体装置に関する。
従来より、絶縁基板の上に半導体素子が配置される半導体装置が知られている。ここで絶縁基板は、セラミック等からなる平坦な絶縁部材とその上面に形成される銅等からなる配線パターンとを有し、この配線パターン上にはんだにより半導体素子の裏面電極が接合されている。
このような半導体装置では、例えば、絶縁基板から独立して配設された外部電極と絶縁基板の配線パターンとをワイヤボンディングにより互いに接続することにより、半導体素子の裏面電極を外部電極を介して装置の外部に取り出すことができる。
ところが、上述のように絶縁基板の配線パターンと外部電極とをワイヤボンディングにより接続する場合、ボンディング用のツールがこの半導体装置内の部分と干渉しないようにボンディング付近にクリアランスを設ける必要があり、そのため半導体装置が大型化してしまう。
また、ワイヤボンディングに用いられるワイヤは、電流が流れる断面積が小さいため電気抵抗が大きく、またインダクタンスも大きいため、電気的なエネルギー損失が大きいという問題があった。
そこで、外部電極を超音波接合により絶縁基板の配線パターン上に直接に接合することで、半導体素子の裏面電極を外部電極を介して装置の外部に取り出すことが考えられる。
ところが、絶縁基板の配線パターンの下部に位置する絶縁部材はセラミック等からなり、配線パターンを構成する銅等に比べて脆いため、外部電極を絶縁基板の配線パターン上に超音波接合しようとすると、超音波振動による応力や接合時の荷重により絶縁基板の絶縁部材にひびや割れ等の損傷を生じるおそれがある。
ここで、例えば特許文献１に開示されている半導体装置では、半導体チップの上面の電極パッド上に接合時の荷重や超音波振動を吸収するための金属バンプを形成し、この金属バンプ上にリードフレームを接合することにより、半導体チップの損傷を防止しつつ超音波接合を可能としている。
特開平１１−１４５１８８号公報
しかしながら、特許文献１の接合方法を絶縁基板の配線パターンへの外部電極の接合に適用しようとすると、絶縁基板の配線パターン上に金属バンプを設ける必要があり、複雑な構成となると共に、金属バンプの形成のために全体の工程数が増加して製造に手間がかかるという問題があった。
この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、単純な構成を有すると共に容易に製造することができる半導体装置を提供することを目的とする。
この発明に係る半導体装置は、平坦な絶縁部材の上面に導電性の配線パターンが形成された絶縁基板を有し、この絶縁基板の配線パターン上に半導体素子の裏面電極が接合される半導体装置において、その一端が外部端子として用いられる本体部と本体部の他端に位置して本体部よりも薄く形成される接合部とを有する外部電極を備え、外部電極の接合部が超音波接合により絶縁基板の配線パターン上に直接に接合されることにより、絶縁基板の配線パターンを介して外部電極が半導体素子の裏面電極に電気的に接続されるものである。
この発明によれば、単純な構成を有すると共に容易に製造することができる半導体装置を実現することが可能である。
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１に、この発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す。この半導体装置は、パワーモジュール等として用いられるものである。この装置は、銅からなる放熱性のベース板１を有しており、このベース板１上に絶縁基板２が配置されている。絶縁基板２は、セラミックからなる平板状の絶縁部材３を有し、絶縁部材３の上面に銅からなる配線パターン４が形成されると共に、絶縁部材３の下面に銅からなる接合パターン５が形成されている。この絶縁基板２の接合パターン５がはんだ６を介してベース板１の上面に接合されている。また、絶縁基板２の配線パターン４の上面にはんだ７を介してパワーチップ等の半導体素子８の裏面電極が接合されており、これにより半導体素子８が絶縁基板２を介してベース板１上に搭載されている。
また、ベース板１の周縁部には、このベース板１上に立設するようにケース９が固定されており、ベース板１上に配置された半導体素子８等がこのケース９の内部に収容されている。ケース９の１つの側壁９ａには、断面Ｌ字状の第１外部電極１０及び第２外部電極１１がそれぞれインサート成形されてケース９の内部から外部に引き出されている。第２外部電極１１は、第１外部電極１０よりも上方に位置して第１外部電極１０に対向するように配置されている。
第１外部電極１０は、銅から形成されており、その一部がケース９の側壁９ａに埋設された本体部１２と、本体部１２の一端からケース９の内方に向かって突出形成された接合部１３とを有している。本体部１２の他端は側壁９ａの上端部からケース９の外部に引き出されて半導体素子８の主回路端子を構成している。また、第１外部電極１０の接合部１３は、本体部１２よりも小さい厚さを有するように形成されており、この接合部１３の先端部分が絶縁基板２の配線パターン４上に超音波接合により直接に接合されている。したがって、第１外部電極１０は、配線パターン４を介して半導体素子８の裏面電極に電気的に接続されている。
なお、例えば、第１外部電極１０の本体部１２が１ｍｍ程度の厚さを有し、接合部１３が０．５ｍｍ以下の厚さを有するように形成されることが好ましい。
第２外部電極１１の一端はケース９の内部に露出しており、この第２外部電極１１の露出部分１４と半導体素子８上面の対応する電極部とがボンディングワイヤ１５により互いに接続されている。また、第１外部電極１０と同様に、第２外部電極１１の他端も側壁９ａの上端部からケース９の外部に引き出されて半導体素子８の主回路端子を構成している。
また、断面Ｌ字状の第３外部電極１６がケース９の他の側壁９ｂにインサート成型されてケース９の内部から外部に引き出されている。第３外部電極１６の一端はケース９の内部に露出しており、この第３外部電極１６の露出部分１７と半導体素子８上面の対応する電極部とがボンディングワイヤ１８により互いに接続されている。第３外部電極１６の他端は、側壁９ｂの上端部からケース９の外部に引き出されており、半導体素子８に制御信号を供給するための制御端子を構成している。
図２に示されるように、その一部がケース９の側壁９ａ内に埋設される第１外部電極１０の本体部１２は、この側壁９ａの幅方向に沿って延在する板形状を有している。また、ケース９の側壁９ａからケース９の内方に向かって突出する第１外部電極１０の部分は、互いに間隔をへだてて配置される２つの接合部１３に分岐され、それぞれの接合部１３の先端部分が絶縁基板２の配線パターン４上に接合されている。第１外部電極１０の各接合部１３は、例えば２ｍｍ程度の幅を有するように形成することができる。
また、絶縁基板２の配線パターン４の上面には、２つの半導体素子８が配列されている。さらに、第２外部電極１１も、第１外部電極１０の本体部１２と同様に、ケース９の側壁９ａの幅方向に沿って延在する板形状を有している。また、帯状の４つの第３外部電極１６がケースの側壁９ｂの幅方向に沿って互いに間隔をへだてて配置されている。
例えば、半導体素子８上面にソース（またはエミッタ）電極及びゲート電極をそれぞれ設けると共に半導体素子８の裏面電極としてドレイン（またはコレクタ）電極を設け、第２外部電極１１をボンディングワイヤ１５によりソース（またはエミッタ）電極に接続し、第３外部電極１６をボンディングワイヤ１８によりゲート電極に接続することで、第２外部電極１１、第３外部電極１６及び第１外部電極１０をそれぞれこの半導体装置のソース（またはエミッタ）電極、ゲート電極及びドレイン（またはコレクタ）電極として用いることができる。
以上のように、第１外部電極１０は、本体部１２よりも薄く形成された接合部１３を有し、この接合部１３で絶縁基板２の配線パターン４上に超音波接合されるため、接合部１３を配線パターン４上に接合するのに必要な荷重及び超音波振動を小さく抑えることができ、これにより、絶縁基板２の配線パターン４の下部に位置する絶縁部材３にひびや割れ等の損傷を生じることなく第１外部電極１０を超音波接合により絶縁基板２の配線パターン４上に直接に接合することができる。
したがって、絶縁基板２の配線パターン４上に、接合時の荷重や超音波振動による応力を吸収するための金属バンプを設ける必要はなく、そのため、単純な構成を有すると共に容易に製造することができる半導体装置を実現することが可能である。
また、ケース９の側壁９ａからケース９の内方に向かって突出する第１外部電極１０の部分は２つの接合部１３に分岐されているため、２つの接合部１３をそれぞれ別々に絶縁基板２の配線パターン４上に超音波接合することができ、これにより、各接合部１３を配線パターン４に接合する時に必要な荷重や超音波振動をさらに小さく抑えることができる。したがって、超音波接合時に絶縁部材３に与える影響をより一層低減しながら第１外部電極１０を絶縁基板２の配線パターン４上に接合することができる。
また、ワイヤボンディングにより第１外部電極１０と絶縁基板２の配線パターン４とを接続する必要がないため、ボンディング用のツールの干渉を防止するためのクリアランスの確保が不要となり、小型の半導体装置を実現することができる。また、第１外部電極１０と配線パターン４とがボンディングワイヤを用いずに直接に接続されるため、電気的なエネルギー損失を低減することができる。
また、第１外部電極１０は、その接合部１３のみが薄く形成され、本体部１２は厚く形成されているため、電流を流す断面積が確保され、電気的なエネルギー損失をさらに低減することができる。
また、半導体素子８は、銅からなるベース板１上に絶縁基板２を介して配置されているため、半導体素子８で発生した熱は、絶縁基板２の配線パターン４、絶縁部材３及び接合パターン５を通ってベース板１から外部へ効率よく放散される。
ここで、それぞれ１１５Ｈｖ、９０Ｈｖ及び５３Ｈｖのビッカーズ硬度を有する銅から互いに同じ大きさ及び形状を有する３つの第１外部電極１０を形成し、それぞれの第１外部電極１０の接合部１３を絶縁基板２の配線パターン４上に超音波接合により接合した場合の接合可否及びセラミックダメージについて以下に説明する。なお、これら３つの第１外部電極１０のいずれに対しても、荷重３００Ｎ、周波数３０ｋＨｚ、振幅６０μｍ及びパワー１０００Ｗの同じ条件で超音波接合装置により接合する。また、第１外部電極１０の本体部１２は１ｍｍ程度の厚さに形成され、接合部１３は０．５ｍｍ程度の厚さに形成されている。
超音波接合を行った後に、引っ張り試験により、第１外部電極１０の接合部１３が絶縁基板２の配線パターン４に対して十分な接合力で接合されたか否かを接合可否として調べると共に、絶縁部材３を構成するセラミックの耐電圧を測定することによりセラミックに損傷を生じるか否かをセラミックダメージとして調べる。
その結果、それぞれ１１５Ｈｖ、９０Ｈｖ及び５３Ｈｖのビッカーズ硬度を有する銅から形成された３つの第１外部電極１０のいずれにおいても、第１外部電極１０の接合部１３は絶縁基板２の配線パターン４上に良好に接合されると共に、絶縁部材３を構成するセラミックに損傷を生じないことがわかった。
特に、１１５Ｈｖまたは９０Ｈｖのビッカーズ硬度を有する銅から第１外部電極１０を形成した場合でも、接合が良好であると共にセラミックに損傷を生じないことから、８０Ｈｖ以上のビッカーズ硬度を有する、いわゆるＨ材と呼ばれる硬質の銅から第１外部電極１０を形成しても、絶縁部材３を損傷することなく第１外部電極１０の接合部１３を超音波接合により絶縁基板２の配線パターン４上に直接に接合することが可能である。
なお、第１外部電極１０は、銅の代わりに、アルミ等から形成することもできる。
また、第１外部電極１０は、互いに分岐された２つの接合部１３を有していたが、その代わりに、第１外部電極１０が互いに分岐された３つ以上の接合部を有するように構成することもできる。この場合も、それぞれの接合部は本体部１２よりも薄く形成し、この接合部で超音波接合により絶縁基板２の配線パターン４上に接合することにより、絶縁部材３に損傷を生じることなく第１外部電極１０の接合部を絶縁基板２の配線パターン４上に直接に接合することができる。
実施の形態２．
次に図３を参照して、この発明の実施の形態２に係る半導体装置を説明する。この実施の形態２は、実施の形態１の半導体装置において、互いに分岐された２つの接合部１３を有する第１外部電極１０の代わりに、幅広の１つの接合部２１を有する第１外部電極２２を用いるものである。この第１外部電極２２も、実施の形態１における第１外部電極１０と同様に、接合部２１が本体部２３よりも薄く形成されている。また、第１外部電極２２は、アルミ等からなると共に、接合部２１の先端部分が超音波シーム接合等により絶縁基板２の配線パターン４上に直接に接合されている。超音波シーム接合は、円盤状のツールを用いて接合部２１をその幅方向に沿って連続的に配線パターン４上に接合するものであり、超音波接合法の１つとして知られている。
なお、例えば本体部２３が１ｍｍ程度の厚さを有し、接合部２１が０．２ｍｍ〜０．４ｍｍ程度を有するように形成されることが好ましい。
また、第１外部電極２２の接合部２１は、例えば１０ｍｍ程度の幅を有するように形成することができる。
また、第１外部電極２２は、アルミのなかでも特に小さいビッカーズ硬度を有する軟質の純アルミ等から形成されることが好ましい。
このように構成しても、第１外部電極２２は、本体部２３よりも薄く形成された接合部２１を有し、この接合部２１で絶縁基板２の配線パターン４上に超音波接合されるため、接合に必要な荷重及び超音波振動を小さく抑えることができ、これにより絶縁部材３を損傷することなく第１外部電極１０を絶縁基板２の配線パターン４上に直接に接合することができる。したがって、絶縁基板２の配線パターン４上に、接合時の荷重や超音波振動による応力を吸収する金属バンプを設ける必要はなく、単純な構成を有すると共に容易に製造することができる半導体装置を実現することが可能である。
加えて、この実施の形態２では、第１外部電極２２が幅広の１つの接合部２１を有しているため、１回の接合工程により接合部２１を絶縁基板２の配線パターン４上に接合することができるため、この装置の製造をより容易に行うことができる。
また、幅広の接合部２１を用いるため、インダクタンスがより一層低減され、電気的なエネルギー損失をさらに低減することができる。
なお、上述の実施の形態１及び２において、絶縁基板２の配線パターン４及び接合パターン５を共に銅から形成していたが、これら配線パターン４及び接合パターン５の双方をそれぞれアルミから形成することもできる。また、配線パターン４及び接合パターン５のうち一方を銅から他方をアルミから形成してもよい。
また、絶縁基板２の絶縁部材３を構成するセラミックとして、窒化アルミや、アルミナ、窒化珪素などを用いることができる。
なお、上述の実施の形態１及び２では、半導体素子８の主回路端子として用いられる第１外部電極１０及び２２の接合部１３及び２１が薄く形成されていたが、これに限定されるものではなく、一端が装置の外部に引き出されて外部端子として用いられると共に他端が絶縁基板２の配線パターン４上に超音波接合される構造を有する外部電極にこの発明を適用することもできる。すなわち、外部電極の接合部を本体部よりも薄く形成し、この接合部で絶縁基板２の配線パターン４上に超音波接合することにより、絶縁基板２の絶縁部材３に損傷を生じることなく外部電極を配線パターン４上に直接に接合することができる。
また、上述の実施の形態１及び２では、絶縁部材３とその上面及び下面にそれぞれ形成される配線パターン４及び接合パターン５とを有する絶縁基板２を用いたが、その代わりに、アルミまたは銅等からなる金属基板の上に、絶縁部材としての絶縁樹脂層と、アルミまたは銅等からなる配線パターンとが順次積層形成された構造を有する絶縁基板を用いることもできる。
この発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す側面図である。 この発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す平面図である。 この発明の実施の形態２に係る半導体装置を示す平面図である。
符号の説明
１ ベース板、２ 絶縁基板、３ 絶縁部材、４ 配線パターン、５ 接合パターン、６，７ はんだ、８ 半導体素子、９ ケース、９ａ，９ｂ 側壁、１０，２２ 第１外部電極、１１ 第２外部電極、１２，２３ 本体部、１３，２１ 接合部、１４，１７ 露出部分、１５，１８ ボンディングワイヤ、１６ 第３外部電極。

Claims (1)

  1. 平坦な絶縁部材の上面に導電性の配線パターンが形成された絶縁基板を有し、この絶縁基板の配線パターン上に半導体素子の裏面電極が接合される半導体装置において、
    その一端が外部端子として用いられる本体部と前記本体部の他端に位置して前記本体部よりも薄く形成される接合部とを有する外部電極を備え、前記外部電極の接合部が超音波接合により前記絶縁基板の配線パターン上に直接に接合されることにより前記絶縁基板の配線パターンを介して前記外部電極が前記半導体素子の裏面電極に電気的に接続されることを特徴とする半導体装置。
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