WO2015012188A1 - 接合構造およびそれを用いた半導体装置 - Google Patents

接合構造およびそれを用いた半導体装置 Download PDF

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spring
joined
junction structure
bonding
resin
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谷江　尚史
貴志 澄川
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株式会社日立製作所
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    • H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32245—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic
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    • H01L2924/13055—Insulated gate bipolar transistor [IGBT]

Definitions

  • the present invention relates to a junction structure and a semiconductor device using the junction structure.
  • a plurality of buffer materials having a spiral structure or a lattice structure consisting of Au and Al wires with a diameter of 20 to 50 ⁇ m are randomly arranged inside an adhesive on a circuit mounting substrate to which a semiconductor element is attached.
  • a conductive elastic body is provided. The semiconductor element and the circuit mounting substrate are joined by inserting a metal bump provided on the semiconductor element into the conductive elastic body.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 According to the techniques described in Patent Document 1 and Patent Document 2 as described above, the reliability of electrical, mechanical or thermal connection is improved.
  • JP 2003-299506 A (paragraphs 0016 and 0020, FIG. 3) JP 2006-287091 A (paragraphs 0036 and 0040, FIGS. 1 and 2)
  • thermal stress inevitably occurs. Further, with the miniaturization and densification of the device, the thermal stress is increasing, and this trend will continue in the future. For this reason, the above problem is more pronounced in such a device.
  • the present invention provides a junction structure capable of significantly improving the strength of the junction layer and the interface of the members when joining a plurality of members, and a semiconductor device using the junction structure.
  • a spring-like nanostructure having a size of less than 1 ⁇ m, ie, a dimension on the nanoscale, is provided at the junction between members to be joined.
  • One embodiment of the present invention as described above is a bonding structure including a first member, a second member, and a bonding portion for bonding the first member and the second member.
  • the junction comprises a plurality of spring-like nanostructures.
  • the first and second members may be any of a conductor, a semiconductor, and an insulator.
  • a conductor material such as a metal material or an insulating material such as a ceramic material can be used.
  • the spring shape may be, for example, a spiral shape, that is, a coil shape, or a multi linear shape or a polygonal shape having a plurality of linear portions connected to each other.
  • the bonding structure according to the present invention can be applied to bonding of a lead frame and a heat dissipation base, and bonding of a lead frame and a sealing resin in a semiconductor device.
  • the strength of the nanostructure itself is higher than that of the bulk material, and since a large number of nanostructures can be arranged on the bonding surface, the mechanical strength of the bonding portion and the members and the bonding portion The mechanical strength of the interface is significantly improved. These significantly improve the reliability of the bonding.
  • FIG. 1 It is a schematic diagram of the indentation test apparatus of a spring layer.
  • the measurement result of an indenter indentation test is shown.
  • the measurement result of an indenter indentation test is shown.
  • the measurement result of an indenter indentation test is shown.
  • the manufacturing method of the junction structure of a 4th Example is shown.
  • the manufacturing method of the junction structure of a 4th Example is shown.
  • the manufacturing method of the junction structure of a 4th Example is shown.
  • the manufacturing method of the junction structure of a 4th Example is shown.
  • transformation behavior of a two linear-shaped spring is shown.
  • transformation behavior of a spring of a three linear shape is shown.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
  • the semiconductor element 1 is joined via the solder 2 to the lead frame 3 made of a metal material, and the lead frame 3 and the heat dissipation base 5 made of a metal material are joined via a joint including the insulating layer 4 It is done.
  • wires electrically connecting the terminals provided on the upper surface of the semiconductor element 1 and the lead frame, a sealing material for sealing the entire semiconductor device, the semiconductor device and the external circuit are electrically connected.
  • the electrode terminal etc. for connecting in order are provided, it is abbreviate
  • an IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • the IGBT is known as a typical power semiconductor device.
  • the lead frame 3 By using copper of about 0.5 mm in thickness for the lead frame 3, thermal resistance and electrical resistance are reduced, and by using aluminum for the heat dissipation base 5, weight reduction is achieved while securing the heat dissipation property.
  • the spring layer 4 a provided on the surface of the lead frame 3 and the spring layer 4 b provided on the surface of the heat dissipation base 5 mechanically interlock and fit, and The space between the heat dissipation bases 5 is filled with a resin 4c as a filling member.
  • a plurality or a large number of nanostructures having a spring shape (hereinafter, simply referred to as springs) are arranged.
  • coiled springs are arranged.
  • a nanostructure is a structure whose geometrical dimension is nanoscale smaller than 1 ⁇ m.
  • the spring layer 4a provided on the surface of the lead frame 3 and the spring layer 4b provided on the surface of the heat dissipation base 5 are respectively made of silicon nitride, that is, ceramic springs, and epoxy resin is used for the resin 4c.
  • the thickness of the insulating layer 4 is set to 10 to 100 ⁇ m depending on the required insulating performance.
  • coiled springs are densely arranged.
  • Each spring has a wire diameter of about 40 nm, a coil outer diameter of about 120 nm, and a coil pitch of about 150 nm, and the wire diameter and coil outer diameter increase with distance from the lead frame 3 and the heat dissipation base 5 in the vertical direction. Become.
  • the insulating layer 4 is joined with materials having different linear expansion coefficients. For this reason, when the temperature of the semiconductor device changes due to the heat generation of the semiconductor element 1 or the change of the operating environment temperature, a difference occurs in the thermal deformation of the lead frame 3 and the heat dissipation base 5. .
  • the insulating layer 4 is composed of the resin 4c and the spring layers 4a and 4b made of a low elastic nanostructure, the elastic layer of the insulating layer 4 is reduced, and the deformation can be surely absorbed.
  • the material of the nano-structures of the spring layers 4a and 4b is silicon nitride having a high insulating property, the spring layer 4a provided on the surface of the lead frame 3 and the spring layer 4b provided on the surface of the heat dissipation base Depending on the case, electrical insulation between the lead frame 3 and the heat dissipation base 5 can be secured even if they are in contact with or adjacent to each other.
  • FIG. 2 shows a representative failure mode of the joint.
  • FIG. 2 (a) is a mode in which the interface of the bonded portion peels off
  • FIG. 2 (b) is a mode in which a crack propagates inside the bonding layer
  • FIG. is there.
  • the coil pitch is approximately 150 nm
  • approximately 4 ⁇ 10 7 springs are disposed per unit area (1 mm 2 ) of the surface of the lead frame 3 and the surface of the heat dissipation base 5
  • the wire diameter is about 40 nm
  • the strength of the silicon nitride bulk material is generally about 700 MPa or more.
  • the material forming the spring of the nanospring layer is a nanoscale structure, it is difficult for dislocations to occur inside the crystal, and as in the test results described later, the yield stress and strength are twice or more than the bulk material. large. From this, assuming that the strength of the spring is 1400 MPa, which is twice that of the bulk material, the strength of the interface is 70 MPa, which is 5% of 1400 MPa. This is several times larger than the strength of the epoxy resin used for the resin 4c. From this, in the bonding structure of the present embodiment, the mode is higher for the mode in which the interface between the member to be bonded and the bonding part is separated as shown in FIG. 2A compared to the bonding structure having no spring layer. Reliability is obtained.
  • the spring layer 4a provided on the surface of the lead frame 3 and the spring layer 4b provided on the surface of the heat dissipation base 5 are engaged, at least the lead is broken when the insulating layer 4 is broken. Either the spring layer 4 a provided on the surface of the frame 3 or the spring layer 4 b provided on the surface of the heat dissipating base 5 is disconnected. Therefore, the fracture strength of the joint including the joint layer 4 is at least equivalent to the strength of the spring layer.
  • the strength of the spring layer is several times greater than the strength of the epoxy resin used as the filler resin. From this, in the joint structure of the present embodiment, high reliability can be obtained even with respect to a mode in which a crack propagates inside the joint as shown in FIG. 2 (b).
  • the springs can be arranged closely, it is possible to arrange a very large number of nanosprings per surface unit volume of the members to be joined. As a result, the bonding area between the filler resin and the spring having a three-dimensional shape is increased. Since the stress at the interface between the spring and the filling resin is a value obtained by dividing the load applied to the interface by the bonding area, the stress at the interface can be significantly reduced in this embodiment having a large bonding area. Therefore, in the joint structure of this embodiment, high reliability can be obtained even in a mode in which the interface between the spring and the filling resin is separated as shown in FIG. 2 (c).
  • the stress becomes significantly greater in the vicinity of the junction end than in the other regions. This is because the stress distribution in the joint end has a singular stress field, and theoretically the stress is infinite at the joint end of different materials. Generally, this stress specificity appears in a region of several tens to several hundreds nm or more from the junction end.
  • the spring layer used in the present embodiment nano-order structures are densely arranged, and a plurality of structures are also arranged in the region that becomes a singular field in macro scale. For this reason, the stress specificity does not appear significantly at the end of the spring layer, and the stress increase at the joint end can be prevented.
  • FIGS. 3 (a) to 3 (c) and 4 (a) to 4 (c) show a method of manufacturing the junction structure of this embodiment.
  • the present production method for example, known nanostructures described in the literature, Takayuki Kitamura, et al, “FRACTURE NANOMECHANICS”, PAN STANFORD PUBLISHING (2011), ISBN 978-981-4241-83-0.
  • the body manufacturing method is used.
  • the surface layer 22 is formed on the surface of the joined member 21 as shown in FIG. 3A by the vacuum evaporation method.
  • the surface layer 22 improves the bonding between the member to be joined 21 and the spring formed in the next step, and adjusts the surface roughness of the member to be joined 21 to make it flat.
  • vapor deposition atoms 23 are deposited on the surface of the bonding member 21 on which the spring layer is to be formed by vacuum evaporation from an oblique direction.
  • the deposited atoms 23 are deposited while rotating the bonded member 21 so that the atoms are deposited in a coil shape, and a coiled spring layer 24 that adheres or adheres to the surface of the bonded member 21 is formed.
  • the spring is erected on the surface of the member to be joined 21 so that the length direction of the spring is perpendicular to the surface of the member to be joined 21.
  • the to-be-joined member 21 and the to-be-joined member 31 are arrange
  • the spring layer 24 provided on the surface of the joined member 21 and the spring layer provided on the surface of the joined member 31 by pressing the joining member 21 and the joined member 31. 32 are mechanically fitted. Thereby, both to-be-joined members are joined and positioned mutually.
  • the spring layers are more easily fitted to each other by applying vibration by ultrasonic waves or the like.
  • FIG. 4C by filling the resin 33 between the fitted springs, the to-be-joined member 21 and the to-be-joined member 31 are more firmly joined.
  • the members to be joined 21 and the members to be joined 31 are joined by the fitting of the nanospring, they can be joined without filling the resin 33. In this case, repair can be performed without damaging the members to be joined and the spring layer.
  • the presence or absence of resin 33 can be suitably selected according to the use of junction structure.
  • FIG. 5 is a top view photograph and a cross-sectional photograph of a spring layer in which a nano-order coil made of Ni is closely arranged.
  • the shape of each spring is about 40 nm in wire diameter, about 120 nm in coil outer diameter, about 150 nm in coil pitch, and about 400 nm in height.
  • the inventors pressed an indenter into the nanospring layer, and studied the mechanical properties of the nanospring layer from the relationship between the load and the displacement at that time.
  • FIG. 6 shows a schematic view of a nanospring layer indenter indentation test device.
  • Load-displacement relationship was obtained when a conical indenter with a radius of curvature of 10.44 ⁇ m was pushed into the spring layer using a device incorporating Triboscope made by Hysitron capable of micro load control of 10 ⁇ N to 10 mN in an atomic force microscope. .
  • the displacement measurement resolution is 0.2 nm.
  • the measurement is carried out by load control, the same load is applied twice, and when there is no change in the load-displacement relationship, it is determined as an elastic deformation range, then the load is increased at the same position and the same load is applied twice again Repeated the thing. By repeating this procedure, the load to yield and the displacement at that time were determined.
  • FIGS. 7 (a) to 7 (c) The measurement results are shown in FIGS. 7 (a) to 7 (c).
  • the vertical axis is load, and the horizontal axis is displacement.
  • FIG. 7 (a) Under the conditions of 19.0 ⁇ N load (FIG. 7 (a)) and 20.2 ⁇ N (FIG. 7 (b)), no change was seen in the load-displacement relationship between the first and second times, and the elastic deformation range was found.
  • a load of 22.0 ⁇ N FIG. 7C
  • the load-displacement relationship between the first and second times changes, and it can be determined that the first load application gave a yield.
  • the shear stress ⁇ generated when the coil spring is compressed by the displacement u is generally expressed by the following equation (1).
  • G is a transverse elastic modulus
  • d is a wire diameter
  • n is an effective number of turns
  • D is an average coil diameter.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of a junction structure according to a second embodiment of the present invention. Unlike the first embodiment, the spring layer 24 provided on the surface of the member to be joined 21 and the spring layer 32 provided on the surface of the member to be joined 31 do not mechanically engage with each other. The members to be joined 21 and 31 are joined by the resin 33, which are separated in the direction perpendicular to the joining surface.
  • FIG. 9 summarizes the properties of the known joint structure without a spring, the joint structure with a milli-order surface fastener having a spring, and the respective joint structures according to the first and second embodiments of the present invention. Show.
  • a known joint structure without a spring has only a small rigidity and is excellent in deformation absorption since it is composed only of a low rigidity filling resin.
  • the nanospring has a low rigidity, so it has good deformation absorbability.
  • the rigidity of the milli-order surface fastener having a large wire diameter is very large because the bending stiffness of the spring is proportional to the cube of the wire diameter, and the deformation absorption is low.
  • the stress generated in the spring is proportional to the square of the wire diameter.
  • the stress generated in the spring is small in the junction structure having the spring of the nano structure, a very large stress is generated in the millimeter order and the spring itself is easily broken. From this, the height of deformation absorbency which is one of the effects of the first and second embodiments can be realized by using a nano-order spring layer.
  • any bonded structure is secured by adjusting the resin thickness.
  • the first and second embodiments can be selected and used according to the application in consideration of the properties as described above. This can improve the reliability required for each application.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of a junction structure according to a third embodiment of the present invention.
  • the present embodiment differs from the first and second embodiments in that it is a bonding structure in which a resin and a flat plate-like bonded member are bonded.
  • the coiled spring layer 32 is provided only on the surface of the joined member 31 among the resin 33 and the surface of the joined member 31 and extends into the resin 33 of the joined member. That is, the spring layer is provided at the interface between the member to be joined 31 and the resin 33 serving as the other joining member.
  • high reliability can be obtained for the mode of FIGS. 2 (a) and 2 (c).
  • FIGS. 1-10 A junction structure according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
  • the spring when atoms are deposited by oblique deposition, if the method of rotating the joint member is controlled, the spring has a multi-linear or broken line shape consisting of a plurality of linear portions. Can grow into
  • FIG. 11 shows a cross-sectional photograph of a multi-linear (hereinafter referred to as a two-linear shape) spring layer having two linear portions as an example of a spring layer of a nanostructure having such a multi-linear shape.
  • the spring has multiple straight lines or broken lines, the density of the spring can be increased, which is effective for improving the reliability and reducing the thermal resistance.
  • FIGS. 12 (a) to 12 (c) show a joint structure of multi-linear (hereinafter referred to as three linear shapes) spring layers having three linear portions.
  • the spring 32 (24) has a straight part 32a (24a) extending upward (downward) from the surface of the member to be joined 31 (21) and the upper end (straight part 32a (24a) A straight portion 32b (24b) extending upward (downward) from the lower end) and a straight portion 32c (24c) extending upward (downward) from the upper end (lower end) of the straight portion 32b (24b).
  • One spring is configured by forming a broken line shape in which these three straight line portions are connected to each other.
  • FIG. 12A a state in which the surface on which the three straight springs 24 are provided in the member to be joined 21 and the surface on which the three straight springs 32 are provided on the member 31 to be joined face each other.
  • FIG. 12B the members to be joined 21 and the members to be joined 31 are pressed.
  • the pressing force at this time causes plastic deformation in the spring, and there is a portion where bending between straight portions of the spring becomes large. That is, the springs 24 and 32 are deformed in the form of hooks, and there are places where they are hooked to each other.
  • the to-be-joined member 21 and the to-be-joined member 31 are joined with high reliability, and are mutually positioned.
  • FIG. 12C by filling the resin 33, the reliability of bonding is improved.
  • the bi-linear spring shown in FIG. 11 also enables a similar joint structure as in the case of using the tri-linear spring shown in FIG. As described below, it is preferable to use a spring having three or more straight portions.
  • FIG. 13 and FIG. 14 show the results of simulation of the plastic deformation behavior when a bilinear spring and a trilinear spring are pressed by the finite element method, respectively.
  • the linear portion b extends upward from the upper end of the linear portion a before being pressed, but becomes substantially parallel to the surface of the workpiece when it is pressed. Thereafter, when unloaded, the linear portion b slightly extends from the upper end of the linear portion a as in the case before pressing, because the linear portion b approaches the original shape by springback.
  • the linear portion c extends upward from the upper end of the linear portion b before being pressed, but extends downward from the end of the linear portion b when pressed. . After that, even when unloaded, the straight portion c is maintained in the extending direction.
  • multi-linear spring having three or more linear portions after plastic deformation, it becomes a hook shape having a greater degree of bending than in the case of a bi-linear spring. Therefore, multi linear springs having three or more linear portions are easier to fit than bilinear springs. As a result, by using a multi-linear spring having three or more linear portions, a highly reliable joint structure having a larger joint strength can be obtained.
  • FIGS. 15 (a) to 15 (c) are cross-sectional schematic views of the junction structure of the fifth embodiment of the present invention.
  • a multi-linear (three-linear) spring layer 24 is provided on the surface of one of the members to be joined 21
  • a coil-shaped spring layer 32 is provided on the surface of the member 31 to be joined. That is, the shapes of the springs differ between the upper and lower members to be joined.
  • FIG. 15B also in the present joint structure, by pressing the joint member at the time of jointing, as shown in FIG. 14, the multi-linear spring deforms into a hook shape having a large degree of bending.
  • the members 21 and 31 to be joined are joined and positioned relative to each other by meshing the deformed multi-linear spring with the coil-shaped spring.
  • the bonding strength is improved, and high reliability of bonding can be obtained.
  • rattling between the two members can be prevented.
  • FIG. 15C by filling the resin 33, the reliability of bonding is improved.
  • FIG. 16 is a schematic cross-sectional view of a junction structure according to a sixth embodiment of the present invention.
  • the multi-linear (hereinafter referred to as four linear shape) spring layer 24 having four linear portions provided on the surface of the member to be joined 21 and the surface of the member to be joined 31
  • the four straight spring layers 32 are vertically separated from the surfaces of the members to be joined 21 and 31 without being mechanically fitted, and the members to be joined 21 and 31 are joined by the resin 33.
  • the spring layer is not fitted, but the mode in which the interface of the joined portion shown in FIG. 2 (a) peels off, and the interface between the spring and the filler resin shown in FIG. 2 (c)
  • the reliability of the mode can be improved.
  • the strength of the mode in which the interface shown in FIGS. 2A and 2C peels is smaller than the mode in which a crack propagates in the resin shown in FIG. 2B. Therefore, according to this embodiment, the reliability of the two modes shown in FIGS. 2A and 2C is improved, so that the reliability of bonding by resin can be improved.
  • the density of the springs can be increased by using multi-linear springs, it is effective for improving the reliability of the bonding and reducing the thermal resistance. Further, in the present embodiment, since the spring is not deformed, if it is a multi-linear shape having two or more linear portions, the same bonding strength can be obtained.
  • either one of the spring layer 24 and the spring layer 32 can be changed into a coil-shaped spring layer.
  • FIG. 17 is a schematic cross-sectional view of a junction structure according to a seventh embodiment of the present invention.
  • a multi-linear (four-linear) spring layer is used in a bonding structure for bonding the resin 33 and the flat-plate-like members 31 to be bonded.
  • the spring layer 32 is disposed only on the surface of the member to be joined among the surfaces of the resin 33 and the member to be joined 31.
  • high reliability can be obtained for the mode of FIGS. 2 (a) and 2 (c).
  • the density of the springs can be increased, which is more effective in improving the reliability and reducing the thermal resistance.
  • FIG. 18 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device according to an eighth embodiment of the present invention.
  • the present embodiment is a resin mold type semiconductor device, and the surfaces of the semiconductor element 1, the lead frame 3 and the heat dissipation base 5 in the embodiment of FIG. 1 are covered with a sealing resin 121.
  • the spring layer is provided on the insulating layer 4, but also the coiled spring layer 4a is provided on the interface between the lead frame 3 and the resin 121 (enlarged in the figure) See the figure).
  • the spring layer 4a the interface strength between the lead frame 3 and the sealing resin 121 is improved, and peeling of the lead frame 3 and the sealing resin 121 can be prevented.
  • the present invention is not limited to the embodiments described above, and includes various modifications.
  • the above-described embodiments are described in detail to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and are not necessarily limited to those having all the described configurations.
  • part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and furthermore, the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment.
  • the size, shape, and arrangement density of the springs may be different for each member to be joined or for each joint.
  • the material of the spring is not limited to silicon nitride and nickel described above, and ceramic materials such as aluminum nitride and metal materials such as copper can be used. That is, the size, shape, arrangement density and material of the spring can be appropriately selected or changed in accordance with the mechanical strength, electrical characteristics and thermal characteristics of the joint.
  • various solid materials, such as metal, resin, and ceramics are applicable as a to-be-joined member.
  • the semiconductor element 1 and the lead frame are provided by providing the nano-structure in the form of a spring made of a metal having good solder wettability such as nickel on the bonding surface of the lead frame 3 with the semiconductor element 1.
  • the joint strength can be improved while securing the electrical conductivity with 3.
  • the thermal resistance between the semiconductor element 1 and the lead frame 3 is reduced, and the heat dissipation is improved.
  • the resin which is one of the members to be joined in FIG. 10, is replaced with solder.
  • SYMBOLS 1 Semiconductor element, 2 ... Solder, 3 ... Lead frame, 4 ... Insulating layer, 4a, 4b, 4d ... Spring layer, 4c ... Resin, 5 ... Heat dissipation base, 21 ... Joining member, 22 ... Surface layer, 23 ... Deposited atoms, 24 ... spring layer, 31 ... bonded members, 32 ... spring layer, 33 ... resin, 121 ... sealing resin

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Abstract

　複数の部材を接合する際に接合層や部材界面の強度を大幅に向上することができる、ナノ構造体を用いた接合構造を開示する。半導体装置におけるリードフレームおよび放熱ベースのような複数の被接合部材の表面に、ナノオーダスケール（１μｍ未満）の寸法を有するスプリング状のナノ構造体から成るスプリング層を設け、スプリング層どうしを嵌合することにより被接合部材どうしを接合する。

Description

接合構造およびそれを用いた半導体装置
　本発明は、接合構造およびその接合構造を用いた半導体装置に関する。
　複数の部材を接合するために、はんだ付けや接着剤など、従来より、様々な接合技術が適用されている。そのような接合技術の中には、特許文献１および特許文献２に記載されているように、部材の接合面に、らせん状などの形状を有する小さな構造体を複数設け、本構造体同士の接触や、本構造体と他の構造体との接触により、複数の部材を接合する技術も知られている。
　特許文献１に記載の技術では、幅２０ｍｍ、長さ５０ｍｍの銅シートの表面に、長さ５ｍｍのらせん状の接触導体を多数立設し、このような接触導体を絡み合わせることにより、銅シートどうしを接合する。
　特許文献２に記載の技術では、半導体素子が取り付けられる回路実装基板上に、直径２０～５０μｍのＡｕやＡｌ線からなる螺旋構造あるいは格子構造をした緩衝材を接着剤内部にランダムに複数配置した導電性弾性体が設けられる。この導電体弾性体に、半導体素子に設けられた金属バンプを差し込むことにより、半導体素子と回路実装基板が接合される。
　上記のような特許文献１や特許文献２に記載の技術によれば、電気的または機械的あるいは熱的な接続の信頼性が向上する。
特開２００３－２９９５０６号公報（段落００１６および００２０、図３） 特開２００６－２８７０９１号公報（段落００３６および００４０、図１および２）
　異なる部材を接合する接合構造に荷重や変位が作用する場合、被接合部材の間に配置される接合部の破断防止、被接合部材と接合部の界面はく離防止が問題となる。そのため、接合部自体や界面の強度の大きい接合構造が望まれる。
　特に、パワー半導体デバイスなど、異なる材料からなる部材が組み合わされて用いられる装置では、熱応力が不可避的に発生する。また、装置の小型化や高密度化に伴って、熱応力が増加しており、今後もその傾向にある。このため、このような装置においては、上記の問題はより顕著である。
　これに対し、前述の従来技術では、接合層や部材界面の強度を大幅に向上することが難しかった。
　そこで、本発明は、複数の部材を接合する際に、接合層や部材界面の強度を大幅に向上することができる接合構造、およびその接合構造を用いた半導体装置を提供する。
　上記課題を解決するために、本発明による接合構造においては、被接合部材間の接合部に、形状寸法が１μｍ未満すなわちナノオーダスケールの寸法を有するスプリング状のナノ構造体を設ける。
　上記のような本発明の一態様は、第１の部材と、第２の部材と、第１の部材と第２の部材とを接合する接合部とを備える接合構造であり、本接合構造において、接合部が複数のスプリング状のナノ構造体を備える。
　なお、第１および第２の部材は、導体，半導体，絶縁体のいずれであっても良い。また、スプリング状のナノ構造体は、金属材料などの導体材料や、セラミックス材料などの絶縁材料を用いることができる。また、スプリング形状としては、例えば、螺旋状すなわちコイル状や、互いに連結した複数の直線部を有する多直線状あるいは折れ線状などの形状とすることができる。
　さらに、上記本発明による接合構造は、半導体装置における、リードフレームと放熱ベースとの接合や、リードフレームと封止樹脂との接合に適用できる。
　本発明によれば、ナノ構造体自体がバルク材料よりも強度が高くなること、および接合面に非常に多数のナノ構造体を配置できるため、接合部の機械的強度、および部材と接合部との界面の機械的強度が大幅に向上する。これらにより、接合の信頼性が大幅に向上する。
　上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
第１の実施例である半導体装置の断面模式図である。 接合部の破壊モードを示す。 接合部の破壊モードを示す。 接合部の破壊モードを示す。 第１の実施例の接合構造の製造方法を示す。 第１の実施例の接合構造の製造方法を示す。 第１の実施例の接合構造の製造方法を示す。 第１の実施例の接合構造の製造方法を示す。 第１の実施例の接合構造の製造方法を示す。 第１の実施例の接合構造の製造方法を示す。 スプリング層の上面写真および断面写真である。 スプリング層の圧子押し込み試験装置の模式図である 圧子押し込み試験の測定結果を示す。 圧子押し込み試験の測定結果を示す。 圧子押し込み試験の測定結果を示す。 第２の実施例である接合構造の断面模式図である。 接合構造の性質を示す。 第３の実施例である接合構造の断面模式図である。 多直線形状のスプリング層の断面写真である。 第４の実施例の接合構造の製造方法を示す。 第４の実施例の接合構造の製造方法を示す。 第４の実施例の接合構造の製造方法を示す。 二直線形状のスプリングの変形挙動のシミュレーション結果を示す。 三直線形状のスプリングの変形挙動のシミュレーション結果を示す。 第５の実施例である接合構造の断面模式図である。 第５の実施例である接合構造の断面模式図である。 第５の実施例である接合構造の断面模式図である。 第６の実施例である接合構造の断面模式図である。 第７の実施例である接合構造の断面模式図である。 第８の実施例である半導体装置の断面模式図である。
　以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
　図１は、本発明の第１の実施例である半導体装置の断面模式図である。
　本実施例においては、半導体素子１がはんだ２を介して金属材料からなるリードフレーム３と接合され、そのリードフレーム３と金属材料からなる放熱ベース５が絶縁層４を含む接合部を介して接合されている。なお、これらの部材以外にも、半導体素子１上面に設けられた端子とリードフレームとを電気的に接続するワイヤや、半導体装置全体を封止する封止材、半導体装置と外部回路とを電気的に接続するための電極端子などが設けられるが、図１では省略している。
　本実施例では、半導体素子１として、１辺約１０ｍｍ、厚さ約０．１ｍｍのシリコンチップに形成されたＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor)を用いている。なお、ＩＧＢＴは代表的なパワー半導体デバイスとして公知である。
　リードフレーム３には厚さ約０．５ｍｍの銅を用いることで熱抵抗および電気抵抗を低減し、放熱ベース５にはアルミニウムを用いることで放熱性を確保しながら軽量化を図っている。このとき、絶縁層４において、リードフレーム３の表面に設けたスプリング層４ａと放熱ベース５の表面に設けたスプリング層４ｂが機械的に絡み合って嵌合すると共に、スプリング層間も含むリードフレーム３と放熱ベース５の間の空間に、充填部材として樹脂４ｃが充填されている。
　スプリング層４ａ，４ｂにおいては、スプリング形状を有するナノ構造体（以下、単にスプリングと記す）が、複数あるいは多数配列されている。なお、本実施例においては、コイル状のスプリングが配列されている。ここで、ナノ構造体とは、その幾何学的寸法が、１μｍよりも小さなナノスケールである構造体である。
　本実施例では、リードフレーム３の表面に設けたスプリング層４ａと放熱ベース５の表面に設けたスプリング層４ｂをそれぞれ窒化珪素製すなわちセラミックス製のスプリングで構成し、樹脂４ｃにエポキシ系樹脂を用いることで、リードフレーム３と放熱ベース５の間の電気的絶縁性を確保している。また、絶縁層４の厚さは、要求される絶縁性能に応じて１０～１００μｍとする。スプリング層４ａ、４ｂにおいては、コイル状のスプリングが密に配置されている。各スプリングの形状は、線径が約４０ｎｍ、コイル外径が約１２０ｎｍ、コイルピッチが約１５０ｎｍであり、リードフレーム３や放熱ベース５から垂直方向に離れた位置ほど線径やコイル外径が大きくなる。
　本実施例では、リードフレーム３に銅、放熱ベース５にアルミニウムを用いているので、絶縁層４は線膨張係数の異なる材料を接合している。このため、半導体素子１の動作発熱や使用環境温度の変化によって半導体装置の温度が変化すると、リードフレーム３と放熱ベース５の熱変形に差が生じるが、この変形差を絶縁層４で吸収する。本実施例では、絶縁層４が樹脂４ｃと低弾性なナノ構造体からなるスプリング層４ａ，４ｂで構成されているため、絶縁層４は、弾性率が低減され、確実に変形を吸収できる。
　本実施例では、スプリング層４ａ，４ｂのナノ構造体の材料が絶縁性の高い窒化珪素であるため、リードフレーム３の表面に設けたスプリング層４ａと放熱ベース表面に設けたスプリング層４ｂが嵌合によって接触あるいは隣接しても、リードフレーム３と放熱ベース５の電気的絶縁性を確保できる。
　図２は、接合部の代表的な破壊モードを示す。
　図２（ａ）は被接合部の界面がはく離するモード、図２（ｂ）は接合層内部をき裂が進展するモード、図２（ｃ）はスプリングと充填樹脂の界面がはく離するモードである。
　本実施例では、コイルピッチが約１５０ｎｍであることから、それぞれリードフレーム３の表面や放熱ベース５の表面の単位面積（１ｍｍ２）当たりに配置されるスプリングは約４×１０７本であり、線径が約４０ｎｍであることから界面の単位面積（１ｍｍ２）当たりのスプリングの面積はπ×（２０×１０－６）２×４×１０７＝０．０５ｍｍ２、すなわち総面積の５％である。窒化珪素のバルク材の強度は、一般に約７００ＭＰａ以上である。さらに、ナノスプリング層のスプリングを構成する材料は、ナノスケールの構造体であることから結晶内部に転位が発生し難く、後述する試験結果の様にバルク材よりも降伏応力や強度が２倍以上大きい。このことから、スプリングの強度をバルク材の２倍の１４００ＭＰａとすると、界面の強度は１４００ＭＰａの５％の７０ＭＰａとなる。これは樹脂４ｃに用いたエポキシ樹脂の強度より数倍大きい。このことから、本実施例の接合構造では、スプリング層を持たない接合構造と比較して図２（ａ）に示したような被接合部材と接合部との界面がはく離するモードに対して高い信頼性が得られる。
　また、本実施例では、リードフレーム３の表面に設けたスプリング層４ａと放熱ベース５の表面に設けたスプリング層４ｂが嵌合しているため、絶縁層４が破断する場合には、少なくともリードフレーム３の表面に設けたスプリング層４ａと放熱ベース５の表面に設けたスプリング層４ｂのどちらかが断線することになる。したがって、接合層４を含む接合部の破壊強度は、少なくともスプリング層の強度相当になる。
　上述の様に、スプリング層の強度は充填樹脂として用いたエポキシ樹脂の強度より数倍大きい。このことから、本実施例の接合構造では、図２（ｂ）に示したような接合部内部をき裂が進展するモードに対しても高い信頼性が得られる。
　本実施例では、スプリングを密に並べて配置できるため、被接合部材の表面単位体積当たりに非常に多くのナノスプリングを配置できる。その結果、充填樹脂と３次元形状を持つスプリングの接合面積が大きくなる。スプリングと充填樹脂の界面の応力は、界面に負荷される荷重を接合面積で割った値であるため、接合面積の大きい本実施例では界面の応力を大幅に低減できる。このため、本実施例の接合構造では、図２（ｃ）に示すような、スプリングと充填樹脂の界面がはく離するモードに対しても高い信頼性が得られる。
　ところで、マクロスケールの接合構造では、接合端部の近傍において、その他の領域よりも顕著に応力が大きくなる。これは、接合端部の応力分布が特異性を持つ応力特異場となるためであり、異材の接合端部では理論上応力は無限大となる。一般にこの応力特異性が表れるのは接合端部から数１０～数１００ｎｍ以上の領域である。ところが、本実施例で用いるスプリング層では、ナノオーダの構造体が密に配置されており、マクロスケールで特異場となる領域にも複数の構造体が配列される。このため、スプリング層の端部では応力特異性が顕著には現れなくなり、接合端部での応力増加を防止できる。
　以上のように、本実施例の接合構造によれば、接合部のいずれの破壊モードに対しても高い信頼性が得られる。すなわち、接合部自体や、接合部と被接合部材の界面の強度を大幅に向上することができる。
　次に、図３（ａ）～（ｃ）と図４（ａ）～（ｃ）に、本実施例の接合構造の製造方法を示す。なお、本製造方法においては、例えば、文献、Takayuki Kitamura, et al, “FRACTURE NANOMECHANICS”, PAN STANFORD PUBLISHING(2011), ISBN 978-981-4241-83-0に記載されている、公知のナノ構造体製造方法を用いている。
　はじめに、図３（ａ）に示すような被接合部材２１のスプリング層を形成する表面に、図３（ｂ）が示すように、真空蒸着法にて表面層２２を形成する。この表面層２２は、被接合部材２１と次工程で形成されるスプリングの接合性を高めると共に、被接合部材２１の表面粗さを整えて平坦化する。次に、図３（ｃ）に示すように、被接合部材２１のスプリング層を形成する表面に、斜め方向から真空蒸着法にて蒸着原子２３を堆積させる。このとき、被接合部材２１を回転させながら蒸着原子２３を堆積させることで、原子がコイル状に堆積し、被接合部材２１の表面に付着あるいは固着するコイル状のスプリング層２４が形成される。なお、スプリングは、その長さ方向が被接合部材２１の表面に垂直な方向になるように、被接合部材２１の表面上に立設される。
　次に、図４（ａ）に示すように、被接合部材２１と被接合部材３１を、それぞれのナノスプリング層が形成された面が対面するように配置する。次に、図４（ｂ）が示すように、接合部材２１と被接合部材３１を押し付けることで、被接合部材２１の表面に設けたスプリング層２４と被接合部材３１の表面に設けたスプリング層３２が機械的に嵌合される。これにより、両被接合部材は、接合されて、互いに位置決めされる。このとき、スプリングの形状によっては、被接合部材２１と被接合部材３１を押し付ける際に、超音波などで振動を付加することで、スプリング層どうしがより嵌合しやすくなる。次に、図４（ｃ）が示すように、嵌合したスプリング間に樹脂３３を充填することで、被接合部材２１と被接合部材３１がより強固に接合される。
　このとき、被接合部材２１と被接合部材３１はナノスプリングの嵌合によって接合されているため、樹脂３３を充填しなくても接合できる。この場合、被接合部材やスプリング層を傷つけることなくリペアすることができる。なお、接合構造の用途に応じて、樹脂３３の有無を適宜選択することができる。
　図５～７を用いて、スプリング層の力学特性を説明する。
　図５は、Ｎｉ製のナノオーダのコイルが密に配置されたスプリング層の上面写真および断面写真である。各スプリングの形状は、線径が約４０ｎｍ、コイル外径が約１２０ｎｍ、コイルピッチが約１５０ｎｍであり、高さ約４００ｎｍである。本発明者は、このナノスプリング層に圧子を押し込み、そのときの荷重と変位の関係からナノスプリング層の力学特性を検討した。
　図６にナノスプリング層の圧子押し込み試験装置の模式図を示す。原子間力顕微鏡に１０μＮ～１０ｍＮの微小荷重制御が可能なHysitron社製Triboscopeを組み込んだ装置を用いて、スプリング層に曲率半径１０．４４μｍの円錐圧子を押し込んだときの荷重－変位関係を取得した。変位測定分解能は０．２ｎｍである。測定は荷重制御にて実施し、同じ荷重を２度付加して荷重－変位関係に変化が無いときには弾性変形範囲と判定し、その後同じ位置において荷重を増加して再び同じ荷重を２度付加することを繰り返した。この手順を繰り返すことで、降伏する荷重とそのときの変位を求めた。
　図７（ａ）～（ｃ）に測定結果を示す。縦軸が荷重、横軸が変位量である。荷重１９．０μＮ（図７（ａ））、２０．２μＮ（図７（ｂ））の条件では、１回目と２回目の荷重－変位関係に変化は見られず、弾性変形範囲であった。一方、荷重２２．０μＮ（図７（ｃ））の条件では、１回目と２回目の荷重－変位関係が変化し、１回目の荷重付加によって降伏したと判断できる。この試験を、測定位置を変えて３回実施したところ、降伏した荷重は、２１．９μＮ，１５．２μＮ，１０．６μＮであり、これら荷重に対する変位は、それぞれ２１．７ｎｍ，２４．６ｎｍ，２０．８ｎｍであった。平均値はそれぞれ１５．９μＮ、２２．４ｎｍである。
　コイルスプリングを変位ｕだけ圧縮したときに発生するせん断応力τは、一般に、次式（１）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、Ｇは横弾性係数、ｄは線径、ｎは有効巻数、Ｄは平均コイル径である。式（１）に、ナノ構造体のスプリングの物性値と寸法を代入し、変位ｕに塑性変形が発生する変位の平均値２２．４ｎｍを代入すると、塑性変形が発生するせん断応力τは７５９ＭＰａと求まり、Misesの相当応力に変換すると１．３２ＧＰａとなる。この値がスプリングを構成する材料の降伏応力であり、Ｎｉバルク材の降伏応力と比較して２倍以上大きい。バルク材よりも降伏応力が大きいのは、ナノスケールの構造では、表面からの転位が入り難いためである。
　図８は、本発明の第２の実施例である接合構造の断面模式図を示す。第１の実施例とは異なり、被接合部材２１の表面に設けたスプリング層２４と被接合部材３１の表面に設けたスプリング層３２が、機械的に嵌合されることなく、被接合部材の接合面に対して垂直方向に離れており、被接合部材２１，３１は、樹脂３３によって接合されている。
　本実施例では、スプリング層どうしが嵌合されていないが、接合層がスプリング層を備えることにより、図２（ａ）に示した被接合部材と接合部の界面がはく離するモード、図２（ｃ）に示したスプリングと樹脂の界面がはく離するモードに対する信頼性は向上する。樹脂によって被接合部材を接合する場合、一般に、図２（ｂ）に示す樹脂内部をき裂が進展するモードよりも、図２（ａ）や（ｃ）に示す界面がはく離するモードに対する強度が小さくなる。従って、樹脂を用いた接合層に本実施例を適用することで、図２（ａ）や（ｃ）の２つのモードの信頼性が向上し、接合の信頼性を向上できる。
　図９に、スプリングを持たない公知の接合構造と、スプリングを有するミリオーダの面ファスナーを持つ接合構造、本発明の第１の実施例および第２の実施例である各接合構造の性質をまとめて示す。
　スプリングを持たない公知の接合構造は、剛性の低い充填樹脂だけで構成されているために剛性が小さく、変形吸収性が良い。ナノ構造体のスプリングを持つ第１および第２の実施例の接合構造も、ナノスプリングは剛性が小さいため、変形吸収性が良い。一方、ミリオーダの面ファスナーを持つ接合構造では、スプリングの曲げ剛性が線径の３乗に比例するために線径の大きいミリオーダの面ファスナーの剛性が非常に大きく、変形吸収性が低い。スプリングに発生する応力は線径の２乗に比例する。そのため、ナノ構造体のスプリングを持つ接合構造ではスプリングに発生する応力は小さいが、ミリオーダでは非常に大きな応力が発生してスプリング自体が破壊し易い。このことから、第１および第２の実施例の効果の１つである変形吸収性の高さは、ナノオーダのスプリング層を用いることで実現できるものである。
　図２（ａ）～（ｃ）に示した３種類の接合層破壊モードに対して、スプリングを持たない公知の接合構造ではスプリングによる強度向上がない。ミリオーダのスプリングを持つ接合構造では、スプリング自体の強度は大きいが、接合端部とスプリングの距離が大きくなるため、スプリングの無い領域では図２（ａ）に示すモードの防止が難しい。また、ナノオーダのスプリングと比較してスプリングの表面積が小さいため、図２（ｃ）に示すモードの防止効果は小さい。これらのことから、第１および第２の実施例の効果の１つである接合部の信頼性向上は、ナノオーダのスプリング層を用いることで実現できるものである。
　ところで、一般に、充填樹脂と比較してスプリングに用いる窒化珪素などの材料は熱伝導率が大きい。そのため、スプリングを持たない接合構造や、上下のスプリングがかみ合わさっていない接合構造と比較して、ミリオーダ、ナノオーダいずれもスプリングがかみ合っている接合構造の熱抵抗は小さくできる。
　絶縁性に関しては、いずれの接合構造でも樹脂厚さの調整で確保する。
　製造性に関して、スプリングを持たない接合構造や、上下のスプリングがかみ合わさっていない接合構造では厚さ方向の制約が小さいのに対して、ミリオーダやナノオーダのスプリングを持つ構造では厚さの制約が大きくなる。ただし、ミリオーダやナノオーダのスプリングを持つ構造では、常温接合が可能であるために接合後の残留応力を小さくできるとともに、樹脂充填前はリペアが可能である。
　これらのことから、第１および第２の実施例は、上述したような性質を考慮して、用途に応じて選択して用いることができる。これにより、各用途で要求される信頼性を向上することができる。
　図１０は、本発明の第３の実施例である接合構造の断面模式図を示す。本実施例は、第１および第２の実施例とは異なり、樹脂と平板状の被接合部材を接合する接合構造である。本実施例では、コイル状のスプリング層３２は、樹脂３３と被接合部材３１の表面の内、被接合部材３１の表面のみに設けられ、かつ被接合部材の樹脂３３内に延びる。すなわち、スプリング層は、被接合部材３１と、他方の接合部材となる樹脂３３の界面に設けられる。本実施例によっても、第２の実施例と同様に、図２（ａ）や（ｃ）のモードに対して高い信頼性が得られる。
　図１１～１４を用いて、本発明の第４の実施例である接合構造を説明する。
　図３および図４を用いて説明したスプリング層の製造方法において、斜め蒸着法によって原子を堆積させるとき、接合部材の回転方法を制御すると、スプリングを複数の直線部からなる多直線状あるいは折れ線状に成長させることができる。
　図１１に、このような多直線形状を備えたナノ構造体のスプリング層の一例として、二本の直線部を有する多直線状（以下、二直線形状と記す）のスプリング層の断面写真を示す。スプリングを多直線状あるいは折れ線状とすると、スプリングの密度を増やすことができるため、信頼性の向上や熱抵抗の低減に有効である。
　図１２（ａ）～（ｃ）は、三本の直線部を有する多直線状（以下、三直線形状と記す）のスプリング層による接合構造を示す。
　図１２（ａ）に示すように、スプリング３２（２４）は、被接合部材３１（２１）の表面から上方（下方）に伸びる直線部３２ａ（２４ａ）と、直線部３２ａ（２４ａ）の上端（下端）から上方（下方）に伸びる直線部３２ｂ（２４ｂ）と、直線部３２ｂ（２４ｂ）の上端（下端）から上方（下方）に伸びる直線部３２ｃ（２４ｃ）を有する。これら三直線部が互いに連結した折れ線状をなすことにより、一つのスプリングが構成されている。
　図１２（ａ）に示すように、被接合部材２１において三直線形状のスプリング２４が設けられた面と、被接合部材３１において三直線形状のスプリング３２が設けられた面を互いに向き合わせた状態で、図１２（ｂ）が示すように、被接合部材２１と被接合部材３１を押し付ける。このときの押し付け力によってスプリングに塑性変形を発生し、スプリングにおける直線部間の折れ曲がりが大きくなる部分が生じる。すなわち、スプリング２４，３２がフック状に変形し、互いにひっかかる箇所が生じる。これにより、被接合部材２１と被接合部材３１は、高い信頼性にて接合され、互いに位置決めされる。なお、さらに、図１２（ｃ）が示すように、樹脂３３を充填することにより、接合の信頼性が向上する。
　図１１に示した二直線形状のスプリングによっても、図１２に示した三直線形状のスプリングを用いた場合と同様の接合構造が可能である。なお、以下に述べるように、三直線以上の直線部を有するスプリングを用いることが好ましい。
　図１３および図１４は、それぞれ、二直線形状のスプリングおよび三直線形状のスプリングを押し付けたときの塑性変形挙動を、有限要素法でシミュレーションした結果を示す。
　図１３に示す二直線形状のスプリングの場合、押し付けられる前、直線部ｂは直線部ａの上端から上方へ伸びているが、押し付けられたときには被接合部材表面にほぼ平行になる。その後除荷されると、直線部ｂは、スプリングバックによって若干元の形状に近づくため、押し付け前と同様に直線部ａの上端から上方へ伸びている。これに対し、図１４に示す三直線形状のスプリングの場合、押し付けられる前、直線部ｃは直線部ｂの上端から上方へ伸びているが、押し付けられたときには直線部ｂの端から下方へ伸びる。その後除荷されても、直線部ｃは、その伸びる方向が保持される。すなわち、三直線部以上の多直線形状のスプリングの場合、塑性変形後に、二直線形状のスプリングの場合よりも曲がり具合が大きなフック形状となる。従って、三本以上の直線部を有する多直線状のスプリングどうしは、二直線形状のスプリングどうしよりも、嵌合しやすい。これにより、三本以上の直線部を有する多直線状のスプリングを用いれば、より大きな接合強度を有する、信頼性の高い接合構造が得られる。
　図１５（ａ）～（ｃ）は、本発明の第５の実施例である接合構造の断面模式図を示す。
本実施例においては、図１５（ａ）に示すように、他の実施例と異なり、一方の被接合部材２１の表面には多直線状（三直線形状）のスプリング層２４が設けられ、他方の被接合部材３１の表面にはコイル形状のスプリング層３２が設けられる。すなわち、上下の被接合部材でスプリングの形状が異なる。図１５（ｂ）に示すように、本接合構造においても、接合時に接合部材を押し付けることで、図１４に示したように、多直線形状のスプリングは、曲がり具合の大きなフック状に変形する。変形した多直線状のスプリングがコイル形状のスプリングとかみ合うことで、被接合部材２１，３１が、接合され、互いに位置決めされる。これにより、接合強度が向上し、高い接合の信頼性が得られる。また、両部材間のがたつきを防止できる。さらに、図１５（ｃ）に示すように、樹脂３３を充填することにより、接合の信頼性が向上する。
　図１６は、本発明の第６の実施例である接合構造の断面模式図を示す。他の実施例とは異なり、被接合部材２１の表面に設けた、四本の直線部を有する多直線状（以下、四直線形状と記す）のスプリング層２４と被接合部材３１表面に設けた四直線形状のスプリング層３２が、機械的に嵌合されることなく、被接合部材２１，３１の各表面に垂直方向に離れ、被接合部材２１，３１は樹脂３３によって接合されている。
　本実施例では、スプリング層が嵌合されていないが、図２（ａ）に示した被接合部の界面がはく離するモード、および図２（ｃ）に示したスプリングと充填樹脂の界面がはく離するモードに対する信頼性は向上できる。樹脂で接合する場合、一般に、図２（ｂ）に示す樹脂内部をき裂が進展するモードよりも、図２（ａ）や（ｃ）に示す界面がはく離するモードの強度が小さくなる。従って、本実施例によって図２（ａ）や（ｃ）の２つのモードの信頼性が向上するので、樹脂による接合の信頼性を向上できる。
　また、多直線状のスプリングを用いることで、スプリングの密度を増加できるため、接合の信頼性の向上や熱抵抗の低減に有効である。また、本実施例ではスプリングを変形させないため、二本以上の直線部を有する多直線状であれば、同等の接合強度が得られる。
　なお、本実施例の変形例として、スプリング層２４とスプリング層３２のどちらか一方をコイル状のスプリング層に変えることができる。
　図１７は、本発明の第７の実施例である接合構造の断面模式図を示す。他の実施例とは異なり、樹脂３３と平板状の被接合部材３１を接合する接合構造に、多直線状（四直線形状）のスプリング層を用いている。本実施例では、スプリング層３２は、樹脂３３と被接合部材３１の表面の内、被接合部材の表面のみに配置される。これにより、図２（ａ）や（ｃ）のモードに対しては高い信頼性が得られる。また、多直線状のスプリングを用いることで、スプリングの密度を増加できるため、信頼性の向上や熱抵抗の低減に、より有効である。
　図１８は、本発明の第８の実施例である半導体装置の断面模式図である。本実施例は、樹脂モールド型の半導体装置であり、図１の実施例における半導体素子１，リードフレーム３および放熱ベース５の各表面が、封止樹脂１２１によって被覆されている。第１の実施例とは異なり、スプリング層が絶縁層４に設けられているだけでなく、リードフレーム３と樹脂１２１の界面にもコイル状のスプリング層４ａが設けられている（図中の拡大図参照）。このスプリング層４ａによって、リードフレーム３と封止樹脂１２１との界面強度が向上し、リードフレーム３と封止樹脂１２１のはく離を防止できる。
　なお、本発明は前述した各実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前述した各実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、さらに、ある実施形態の構成に他の実形態の構成を加えることも可能である。さらにまた、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置き換えをすることが可能である。
　例えば、被接合部材毎に、あるいは接合部ごとに、スプリングの寸法や形状および配置密度を異ならしめても良い。スプリングの材料としては、上述した窒化けい素やニッケルに限らず、窒化アルミなどのセラミックス材料や銅などの金属材料を用いることができる。すなわち、スプリングの寸法，形状，配置密度や材料は、接合部が備える機械的強度，電気的特性や熱的特性に応じて、適宜選択あるいは変更することができる。なお、被接合部材としては、金属,樹脂，セラミックスなど、各種の固体材料が適用できる。
　また、図１の半導体装置において、リードフレーム３における半導体素子１との接合面に、ニッケルなどのはんだ濡れ性の良い金属からなるスプリンク状のナノ構造体を設けることにより、半導体素子１とリードフレーム３との電気導電性を確保しながら、接合強度を向上できる。また、半導体素子１とリードフレーム３との間の熱抵抗が低減され、放熱性が向上する。本構成は、言わば、図１０における一方の被接合部材である樹脂をはんだに置き換えたものである。
１…半導体素子，２…はんだ，３…リードフレーム，４…絶縁層，４ａ，４ｂ，４ｄ…スプリング層，４ｃ…樹脂，５…放熱ベース，２１…被接合部材，２２…表面層，２３…蒸着原子，２４…スプリング層，３１…被接合部材，３２…スプリング層，３３…樹脂，１２１　…　封止樹脂

Claims (16)

  1. 　第１の部材と、第２の部材と、前記第１の部材と前記第２の部材とを接合する接合部と、を備える接合構造において、
    　前記接合部が、複数のスプリング状のナノ構造体を有することを特徴とする接合構造。
  2. 　請求項１に記載の接合構造において、前記複数のスプリング状のナノ構造体は、前記第１の部材および前記第２の部材の少なくとも一方の表面に設けられることを特徴とする接合構造。
  3. 　請求項２に記載の接合構造おいて、
    　前記接合部において、前記第１の部材の表面に設けられたスプリング状のナノ構造体と、前記第２の部材の表面に設けられたスプリング状のナノ構造体とが互に離れ、かつ樹脂が充填されていることを特徴とする接合構造。
  4. 　請求項２に記載の接合構造において、
    　前記接合部において、前記第１の部材の表面に設けられたスプリング状のナノ構造体と、前記第２の部材の表面に設けられたスプリング状のナノ構造体とが、互に嵌合していることを特徴とする接合構造。
  5. 　請求項３に記載の接合構造において、前記第１の部材の表面に設けられたスプリング状のナノ構造体と、前記第２の部材の表面に設けられたスプリング状のナノ構造体との少なくとも一方がコイル状であることを特徴とする接合構造。
  6. 　請求項３に記載の接合構造において、前記第１の部材の表面に設けられたスプリング状のナノ構造体と、前記第２の部材の表面に設けられたスプリング状のナノ構造体との少なくとも一方が複数本の直線部を有する多直線状であることを特徴とする接合構造。
  7. 　請求項４に記載の接合構造において、前記第１の部材の表面に設けられたスプリング状のナノ構造体と、前記第２の部材の表面に設けられたスプリング状のナノ構造体との少なくとも一方が、コイル状であることを特徴とする接合構造。
  8. 　請求項４に記載の接合構造において、前記第１の部材の表面に設けられたスプリング状のナノ構造体と、前記第２の部材の表面に設けられたスプリング状のナノ構造体との少なくとも一方が、複数の直線部を有する多直線状であることを特徴とする接合構造。
  9. 　請求項６または請求項８に記載の接合構造において、前記多直線状は三本以上の直線部を有することを特徴とする接合構造。
  10. 　請求項３または請求項４に記載の接合構造において、前記第１の部材の表面に設けられたスプリング状のナノ構造体と、前記第２の部材の表面に設けられたスプリング状のナノ構造体との一方が、複数の直線部を有する多直線状であり、他方がコイル状であることを特徴とする接合構造。
  11. 　請求項１０に記載の接合構造において、前記多直線状は三本以上の直線部を有することを特徴とする接合構造。
  12. 　請求項３に記載の接合構造において、前記接合部では、前記スプリング状のナノ構造体が絶縁性セラミックで構成され、さらに、絶縁性樹脂が充填され、前記第１の部材と前記第２の部材とが絶縁性を有する前記接合部によって接合されることを特徴とする接合構造。
  13. 　請求項４に記載の接合構造において、前記接合部では、前記スプリング状のナノ構造体が絶縁性セラミックで構成され、前記樹脂は絶縁性樹脂であり、前記第１の部材と前記第２の部材とが絶縁性を有する前記接合部によって接合されることを特徴とする接合構造。
  14. 　請求項１１または請求項１２において、前記セラミックが窒化けい素であることを特徴とする接合構造。
  15. 　半導体素子と、前記半導体素子が接合されるリードフレームと、前記リードフレームと接合される放熱ベースと、を備えた半導体装置において、
    　前記リードフレームと前記放熱ベースとを接合する接合部が、複数のスプリング状のナノ構造体を有することを特徴とする半導体装置。
  16. 　半導体素子と、前記半導体素子が接合されるリードフレームと、前記リードフレームと接合される放熱ベースと、前記半導体素子および前記リードフレーム並びに前記放熱ベースの各表面を被覆する樹脂と、を備えた半導体装置において、
    　前記リードフレームと前記樹脂との界面に、複数のスプリング状のナノ構造体が設けられることを特徴とする半導体装置。
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