JP6279860B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置に関する。

電力用半導体装置は、たとえば鉄道車両、ハイブリッドカーや電気自動車などの車両、家電機器または産業用機器などにおいて、比較的大きな電力を制御、整流するために利用される半導体装置である。この電力半導体装置は高い温度領域において使用されるため、金属端子と半導体パターンとの接合が従来のはんだ接合から超音波接合へと切り替わっている。

一般に金属端子はＬ字型の形状を有しており、以下のようにして超音波接合により金属パターンに対して接合される。まず、平坦な先端部を絶縁性基板上の金属パターンに接触させる。この絶縁性基板には、半導体チップなどが搭載されている。次に、超音波発生装置のツールを用いて金属端子を押さえ付け、ツールに対して超音波振動を加え、金属端子とツールとを一体に動作させる。このようにして金属端子と絶縁性基板上の金属パターンとの間に摩擦を生じさせることにより、金属端子と金属パターンとが接合される（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００６−２７８９１３号公報

従来の半導体装置では金属端子と絶縁性基板上の金属パターンとを安定に接合することが困難であり、装置の信頼性において問題があった。そこで、本発明の目的は、基板の金属パターンに対して金属端子を安定に接合することが可能な半導体装置を提供することである。

本発明の第１の局面に従った半導体装置は、金属パターンを含む基板と、上記金属パターンに接続される金属端子とを備えている。上記金属端子は、上記金属パターンの表面に沿って延在し、上記金属パターンに接続される接合部と、上記接合部が延在する方向と異なる方向に延在する支持部と、上記接合部と上記支持部とを接続し、上記接合部が延在する方向および上記支持部が延在する方向の各々と異なる方向に直線状に延在する第１曲折部とを含んでいる。接合部のみを金属パターンに接触させ、第１曲折部および支持部を金属パターンから離れるように構成する。金属端子は、超音波接合により金属パターンに接続されており、接合部の幅は、超音波接合に用いられる超音波ツールの幅と同じ大きさである。

本発明の第２の局面に従った半導体装置は、金属パターンを含む基板と、上記金属パターンに接続される金属端子とを備えている。上記金属端子は、上記金属パターンの表面に沿って延在し、上記金属パターンに接続される接合部と、上記接合部が延在する方向と異なる方向に延在する支持部と、上記接合部と上記支持部とを接続するように屈曲し、金属端子の厚み以上の曲率半径を有する屈曲部とを含んでいる。接合部のみを金属パターンに接触させ、屈曲部および支持部を金属パターンから離れるように構成する。金属端子は、超音波接合により金属パターンに接続されており、接合部の幅は、超音波接合に用いられる超音波ツールの幅と同じ大きさである。

本発明の第３の局面に従った半導体装置は、金属パターンを含む基板と、上記金属パターンに接続される金属端子とを備えている。上記金属端子は、上記金属パターンの表面に沿って延在し、上記金属パターンに対向する表面において上記金属パターンに接続される凸部を有する接合部と、上記接合部に接続され、上記接合部が延在する方向と異なる方向に延在する支持部とを含んでいる。凸部のみを金属パターンに接触させ、支持部を金属パターンから離れるように構成する。金属端子は、超音波接合により金属パターンに接続されており、接合部の幅は、超音波接合に用いられる超音波ツールの幅と同じ大きさである。

本発明に従った半導体装置によれば、基板の金属パターンに対して金属端子を安定に接合することが可能な半導体装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る半導体装置の構造を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態１の変形例に係る半導体装置の構造を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体装置の構造を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体装置の構造を拡大して示す概略図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体装置の構造を示す概略断面図である。 比較例の半導体装置の構造を示す概略断面図である。 比較例の半導体装置の構造を示す概略断面図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

（実施の形態１）
はじめに、本発明の第１の実施の形態である実施の形態１について説明する。まず、本実施の形態に係る半導体装置の構造について説明する。図１を参照して、本実施の形態に係る半導体装置１は電力用半導体装置であり、ベース板１１、はんだ層１２、セラミック板１３および金属パターン１４を含む基板１０と、当該金属パターン１４に接続される金属端子１５とを主に備えている。

セラミック板１３は、はんだ層１２を介してベース板１１に固定されている。金属パターン１４は、セラミック板１３の一方の表面（はんだ層１２側とは反対側の表面）上に形成されている。金属パターン１４は、たとえば銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）などの金属材料からなっている。

金属端子１５は、金属パターン１４に接続される接合部１５ａと、金属パターン１４から離れるように接合部１５ａに接続される端子曲げ部１５ｂ（第１曲折部）と、端子曲げ部１５ｂに接続される支持部１５ｃとを主に含んでいる。金属端子１５は、たとえば銅（Ｃｕ）などの金属材料からなっている。

接合部１５ａ（金属端子１５）は、金属パターン１４の表面１４ａに沿って延在し、超音波接合により金属パターン１４に接続されている。より具体的には、接合部１５ａは、表面１５ａ２に超音波ツール５０を接触させることで接合部１５ａに対して超音波振動を伝達させ、接合面１５ａ１と表面１４ａとの間に摩擦を生じさせることで当該金属パターン１４に対して接合されている。接合部１５ａの幅Ｗ１は、上記超音波接合に用いられる超音波ツール５０の幅Ｗ２の±２０％以下（８０％以上１２０％以下）の大きさであり、好ましくは同じ大きさである。たとえば超音波ツール５０の幅Ｗ２が５ｍｍである場合には、接合部１５ａの幅Ｗ１は６ｍｍまたは４ｍｍとなっている。

支持部１５ｃは、接合部１５ａが延在する方向とは異なる方向に延在している。より具体的には、支持部１５ｃは、金属パターン１４の表面１４ａに沿った方向に垂直な方向に沿って延在している。

端子曲げ部１５ｂは、接合部１５ａの一方の端部と支持部１５ｃの一方の端部とを接続するように直線状に延在している。端子曲げ部１５ｂは、接合部１５ａが延在する方向および支持部１５ｃが延在する方向とは異なる方向において直線状に延在している。より具体的には、端子曲げ部１５ｂは、接合部１５ａの延在方向および支持部１５ｃの延在方向に対して交差する方向に延在している。

金属端子１５は、図１に示すように接合部１５ａと、端子曲げ部１５ｂと、支持部１５ｃとが一体に形成された構造を有している。より具体的には、金属端子１５は、１枚の平板状の金属部材（図示しない）に対してプレス加工などを施し、複数の曲折点を設けることにより形成されている。

金属端子１５では曲折点における曲げ角度は特に限定されない。たとえば、接合部１５ａの延在方向と端子曲げ部１５ｂの延在方向とが成す角、および端子曲げ部１５ｂの延在方向と支持部１５ｃの延在方向とが成す角の大きさは０°を超え９０°未満であり、かつ当該角の大きさの和が９０°となっている。これにより、図１に示すように接合部１５ａが金属パターン１４の表面１４ａに沿って延在し、かつ支持部１５ｃが当該表面１４ａに垂直な方向に沿って延在した状態になる。

次に、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。この半導体装置の製造方法では、まず、基板および金属端子を準備する工程が実施される。この工程では、図１を参照して、ベース板１１、はんだ層１２、セラミック板１３および金属パターン１４を含む基板１０が準備される。また、銅などの材料からなる金属端子１５も別途準備される。

次に、超音波接合する工程が実施される。この工程では、図１を参照して、まず接合部１５ａが金属パターン１４と接触するように、金属端子１５が基板１０上に配置される。次に、表面１５ａ２側から金属端子１５に対して超音波ツール５０を接触させ、接合部１５ａに対して超音波振動が伝達される。これにより、金属端子１５（接合部１５ａ）と金属パターン１４との間に摩擦が発生し、金属端子１５が金属パターン１４に対して接合される。以上のようにして半導体装置１が製造される。

次に、本実施の形態に係る半導体装置の作用効果について比較例の半導体装置を参照しつつ説明する。図６および図７を参照して、比較例の半導体装置１００は、ベース板１１０、はんだ層１２０、セラミック板１３０、および金属パターン１４０を含む基板と、当該金属パターン１４０に接続される金属端子１５０と、ケース２００とを主に備えている。図７に示すように金属端子１５０は複数に分岐しており、各々の金属端子１５０は接合部１５０ａと支持部１５０ｃとを含むＬ字型形状を有している（図６参照）。金属端子１５０の分岐数は製品によって異なり、たとえば２〜１０本である（図７では３本）。

半導体装置１００では、超音波ツール５００を用いて金属端子１５０の接合部１５０ａを押さえて当該接合部１５０ａに超音波振動および荷重を加え、金属端子１５０と金属パターン１４０との間に摩擦を生じさせることによりこれらが接合されている。この場合、図６に示すように接合部１５０ａの幅が超音波ツール５００の幅の比べて大きくなっている。すなわち、接合部１５０ａは、金属パターン１４０に対して接合される接合領域１５１ａと、接合されない非接合領域１５２ａとを含んでおり、当該接合領域１５１ａおよび非接合領域１５２ａの両方が金属パターン１４０と接触している。この状態で超音波ツール５００により金属端子１５０を押さえると、接合領域１５１ａだけでなく非接合領域１５２ａも金属パターン１４０に対して接合される場合がある。この場合、超音波ツール５００により加えられる接合荷重が分散し、不要な摩擦抵抗などが発生して接合強度にばらつきが生じ、その結果金属パターン１４０に対する金属端子１５０の接合の信頼性が低下するという懸念がある。

より具体的には、接合部１５０ａが平坦面を有する場合でも、超音波接合の処理条件によっては端部のみが接合され中央部分が接合されない場合などがある。たとえば金属端子１５０が銅からなり、厚みが１．５ｍｍ、幅が５ｍｍ、長さが７ｍｍであり、周波数２０ｋＨｚ、振幅２５μｍ、荷重１０００Ｎの条件で超音波接合を行うと、端子の端部のみが接合されて中央部が接合しない場合がある。一方で、荷重を１０００Ｎから５００Ｎにまで下げ、かつ振幅を２５μｍから２０μｍにまで小さくすると、端子の中央部を接合することができる。このように、比較例の半導体装置１００では、荷重や振幅などの超音波接合の条件を詳細に設定しなければ金属端子１５０と金属パターン１４０との安定な接合を確保することが困難である。

これに対して、本実施の形態に係る半導体装置１においては、金属端子１５が接合部１５ａおよび支持部１５ｃに加えて、端子曲げ部１５ｂをさらに含んでいる。これにより、金属端子１５において金属パターン１４に接合させる部分（接合部１５ａ）のみを当該金属パターン１４に対して接触させ、他の部分（端子曲げ部１５ｂおよび支持部１５ｃ）を金属パターン１４から離れるように構成することが容易になる。その結果、超音波接合の際に超音波ツール５０により接合面全体に対して均一に荷重が加えられ、金属端子１５と金属パターン１４との安定な接合を得ることができる。さらに、金属端子１５に複数の曲折点を設けることにより、半導体装置の使用時の熱による膨張や収縮に起因した金属端子１５と金属パターン１４との接合部の歪をより緩和することができる。このように本実施の形態に係る半導体装置１は、金属端子１５と金属パターン１４との安定な接合が達成され、より信頼性が向上したものとなっている。

（変形例）
次に、本実施の形態の変形例について説明する。本変形例に係る半導体装置は、基本的には上記本実施の形態に係る半導体装置１と同様の構成を備え、かつ同様の効果を奏する。しかし、本変形例に係る半導体装置は、金属端子の構造において上記本実施の形態に係る半導体装置１とは異なっている。

図２を参照して、本変形例に係る半導体装置２は、上記半導体装置１と同様にベース板２１、はんだ層２２、セラミック板２３および金属パターン２４を含む基板２０と、金属端子２５とを主に備えている。金属端子２５は、接合部２５ａ、端子曲げ部２５ｂ（第１曲折部）および支持部２５ｃに加えて、先端側端子曲げ部２５ｄ（第２曲折部）をさらに含んでいる。

先端側端子曲げ部２５ｄは、端子曲げ部２５ｂとは反対側において接合部２５ａに接続されている。先端側端子曲げ部２５ｂは、接合部２５ａが延在する方向（金属パターン２４の表面２４ａに沿った方向）とは異なる方向に延在している。上記構成により、上記半導体装置１の場合と同様に金属端子２５と金属パターン２４との安定な接合が得られるとともに、金属端子１５の設計の自由度がより向上する。

（実施の形態２）
次に、本発明の第２の実施の形態である実施の形態２について説明する。実施の形態２に係る半導体装置は、基本的には上記実施の形態１に係る半導体装置１と同様の構成を備え、かつ同様の効果を奏する。しかし、実施の形態２に係る半導体装置は、金属端子の構造において上記実施の形態１に係る半導体装置１とは異なっている。

図３を参照して、本実施の形態に係る半導体装置３は、上記半導体装置１と同様にベース板３１、はんだ層３２、セラミック板３３および金属パターン３４を含む基板３０と、当該金属パターン３４に接続される金属端子３５とを主に備えている。金属端子３５は、接合部３５ａおよび支持部３５ｃに加えて、当該接合部３５ａと当該支持部３５ｃとを接続するように屈曲する屈曲部３５ｂをさらに含んでいる。

接合部３５ａは、金属パターン３４の表面３４ａに沿って延在しており、超音波接合により金属パターン３４に接続されている。接合部３５ａの幅Ｗ１は、上記超音波接合に用いられる超音波ツール５０の幅Ｗ２の±２０％以下（８０％以上１２０％以下）の大きさとなっている。支持部３５ｃは、接合部３４が延在する方向とは異なる方向（金属パターン３４の表面３４ａに対して垂直な方向）に沿って延在している。

図４を参照して、屈曲部３５ｂの曲率半径は、金属端子３５の厚みよりも大きくなっている。より具体的には、屈曲部３５ｂに含まれる曲線３５ｂ１の曲率半径Ｒ（曲率円Ｃの半径）が金属端子３５の厚みＴ１以上の大きさとなっている。たとえば金属端子３５の厚みＴ１が１．５ｍｍである場合には、当該曲率半径Ｒは１．５ｍｍ以上となっている。

上記構成により、本実施の形態に係る半導体装置３においては、金属端子３５のサイズが小さく複数の曲折点を設けることが困難である場合でも、金属パターン３４に接合させる部分（接合部３５ａ）のみを金属パターン３４に接触させ、他の部分を金属パターン３４から離れるように容易に構成することができる。その結果、上記半導体装置１と同様に金属端子３５と金属パターン３４との安定な接合を得ることができる。

（実施の形態３）
次に、本発明の第３の実施の形態である実施の形態３について説明する。実施の形態３に係る半導体装置は、基本的には上記実施の形態１に係る半導体装置１と同様の構成を備え、かつ同様の効果を奏する。しかし、実施の形態３に係る半導体装置は、金属端子の構造において上記実施の形態１に係る半導体装置１とは異なっている。

図５を参照して、本実施の形態に係る半導体装置４は、上記半導体装置１と同様にベース板４１、はんだ層４２、セラミック板４３および金属パターン４４を含む基板４０と、当該金属パターン４４に接続される金属端子４５とを主に備えている。金属端子４５は、接合部４５ａおよび支持部４５ｃを含んでいる。金属パターン４４および金属端子４５は、たとえば銅（Ｃｕ）などの金属材料からなっている。

接合部４５ａは、金属パターン４４の表面４４ａに沿って延在し、超音波接合により金属パターン４４に接続されている。より具体的には、接合部４５ａは、金属パターン４４に対向する表面において凸部４５ｄを有しており、当該凸部４５ｄにおいて金属パターン４４に接続されている。凸部４５ｄの幅Ｗ３は、上記超音波接合に用いられる超音波ツール５０の幅Ｗ２の±２０％以下（８０％以上１２０％以下）の大きさとなっており、好ましくは同じ大きさである。たとえば、超音波ツール５０の幅Ｗ２が５ｍｍである場合には、凸部４５ｄの幅Ｗ３は４〜６ｍｍとなっている。

また、金属端子４５および金属パターン４４が銅からなり、接合部４５ａの幅が５ｍｍ、金属端子４５の厚みが１．５ｍｍである場合には、超音波接合による金属端子４５および金属パターン４４の接合面の削れ、および圧縮による変形量は１０〜１００μｍ程度である。そのため、凸部４５ｄの段差Ｈは超音波接合の条件により適宜設定されるが、少なくとも１０μｍ以上となっている。

支持部４５ｃは、接合部４５ａの一方の端部に接続されている。支持部４５ｃは、接合部４５ａが延在する方向（金属パターン４４の表面４４ａに沿った方向）とは異なる方向（表面４４ａに対して垂直な方向）に沿って延在している。

上記構成により、本実施の形態に係る半導体装置４においては、接合部４５ａの先端側および根元側（支持部４５ｃに接続される側）のいずれにおいても金属パターン４４との接触を回避することができる。これにより、金属パターン４４に接合させる部分（凸部４５ｄ）のみを金属パターン４４に接触させ、他の部分を金属パターン４４から離れるように容易に構成することができる。その結果、上記半導体装置１と同様に金属端子４５と金属パターン４４との安定な接合を得ることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の半導体装置は、基板の金属パターンに対して金属端子を安定に接合することが要求される半導体装置において、特に有利に適用され得る。

１，２，３，４ 半導体装置、１０，２０，３０，４０ 基板、１１，２１，３１，４１ ベース板、１２，２２，３２，４２ はんだ層、１３，２３，３３，４３ セラミック板、１４，２４，３４，４４ 金属パターン、１４ａ，１５ａ２，２４ａ，３４ａ，４４ａ 表面、１５，２５，３５，４５ 金属端子、１５ａ，２５ａ，３５ａ，４５ａ 接合部、１５ａ１ 接合面、１５ｂ，２５ｂ 端子曲げ部、２５ｄ 先端側端子曲げ部、１５ｃ，２５ｃ，３５ｃ，４５ｃ 支持部、３５ｂ 屈曲部、３５ｂ１ 曲線、４５ｄ 凸部、５０ 超音波ツール。

Claims (4)

1. 金属パターンを含む基板と、
   前記金属パターンに接続される金属端子とを備え、
   前記金属端子は、
   前記金属パターンの表面に沿って延在し、前記金属パターンに接続される接合部と、
   前記接合部が延在する方向と異なる方向に延在する支持部と、
   前記接合部と前記支持部とを接続し、前記接合部が延在する方向および前記支持部が延在する方向の各々と異なる方向に直線状に延在する第１曲折部とを含み、
   前記接合部のみを前記金属パターンに接触させ、前記第１曲折部および前記支持部を前記金属パターンから離れるように構成し、
   前記金属端子は、超音波接合により前記金属パターンに接続されており、
   前記接合部の幅は、前記超音波接合に用いられる超音波ツールの幅と同じ大きさである、半導体装置。
2. 前記金属端子は、前記第１曲折部側とは反対側において前記接合部に接続され、前記接合部が延在する方向と異なる方向に延在する第２曲折部をさらに含む、請求項１に記載の半導体装置。
3. 金属パターンを含む基板と、
   前記金属パターンに接続される金属端子とを備え、
   前記金属端子は、
   前記金属パターンの表面に沿って延在し、前記金属パターンに接続される接合部と、
   前記接合部が延在する方向と異なる方向に延在する支持部と、
   前記接合部と前記支持部とを接続するように屈曲し、前記金属端子の厚み以上の曲率半径を有する屈曲部とを含み、
   前記接合部のみを前記金属パターンに接触させ、前記屈曲部および前記支持部を前記金属パターンから離れるように構成し、
   前記金属端子は、超音波接合により前記金属パターンに接続されており、
   前記接合部の幅は、前記超音波接合に用いられる超音波ツールの幅と同じ大きさである半導体装置。
4. 金属パターンを含む基板と、
   前記金属パターンに接続される金属端子とを備え、
   前記金属端子は、
   前記金属パターンの表面に沿って延在し、前記金属パターンに対向する表面において前記金属パターンに接続される凸部を有する接合部と、
   前記接合部に接続され、前記接合部が延在する方向と異なる方向に延在する支持部とを含み、
   前記凸部のみを前記金属パターンに接触させ、前記支持部を前記金属パターンから離れるように構成し、
   前記金属端子は、超音波接合により前記金属パターンに接続されており、
   前記接合部の幅は、前記超音波接合に用いられる超音波ツールの幅と同じ大きさである、半導体装置。

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