JP2004228461A

JP2004228461A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2004228461A
Application number: JP2003017003A
Authority: JP
Inventors: Shingo Sudo; 進吾須藤; Yoshihiro Kashiba; 良裕加柴; Hiroaki Maeda; 浩明前田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-01-27
Filing date: 2003-01-27
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2023-01-27
Also published as: JP4078993B2

Abstract

【課題】半導体素子と引き出し電極（インナーリード）との接続が良好で、かつ、「半田溜り部」が形成されない構造を有し、電気的信頼性に優れた半導体装置を実現する。
【解決手段】表面に外部電極端部５Ａを備えた半導体素子５と、外部電極端部５Ａの上に形成された導電性の接合部材７と、外部電極端部５Ａに相対して設けられ、接合部材７を介して外部電極端部５Ａに接合された引き出し電極端部１０と、引き出し電極端部１０と相対する位置に設けられ、半導体素子５の電気信号を外部に伝達するための引き出し電極配線部９と、引き出し電極端部１０と引き出し電極配線部９とを空隙を有するように連結する引き出し電極連結部１２とを備えた半導体装置。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体装置に関し、ことに電力用半導体装置を構成する半導体素子の引き出し電極部（インナーリード部）の接合において高信頼性を備えた半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置を構成する半導体素子の引き出し電極（インナーリード）は、半導体素子の導通電流を外部に取り出すために必要不可欠なものであり、信頼性・安定性・コスト等の観点から、その構造については種々の提案がなされてきている。その１つとして、引き出し電極に半導体素子との接合部となる凸部を設け、この凸部と半導体素子側の電極端部（外部電極端部）との間に半田層を挟む構成とすることにより、引き出し電極の凸部とやわらかい半田層により、半導体素子の電極端部に対する引き出し電極からの応力の緩和が図られた構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２３６０５６号公報（第３頁、第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の半導体装置においては、半導体素子側の電極端部に対する引き出し電極からの応力の緩和を図るために設けられた引き出し電極の凸部の側面において、溶融した半田により「半田溜り部」が形成される。引き出し電極の凸部側面に「半田溜り部」が形成されると、所望の接合面において半田厚さが確保できなかったり、溶融した半田や半田付けの際に用いられるフラックスの半導体素子周縁部への放散等を引き起こし、半導体素子の電気的信頼性を低下させる等の問題が生じる。
【０００５】
この発明に係る半導体装置は、半導体素子と引き出し電極（インナーリード）との接続が良好で、かつ、「半田溜り部」が形成されない構造を有し、電気的信頼性に優れた半導体装置を実現するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る半導体装置は、表面に外部電極端部を備えた半導体素子と、外部電極端部の上に形成された導電性の接合部材と、外部電極端部に相対して設けられ、接合部材を介して外部電極端部に接合された引き出し電極端部と、引き出し電極端部と相対する位置に設けられ、半導体素子の導通電流を外部に導出するための引き出し電極配線部と、引き出し電極端部と引き出し電極配線部とを空隙を有するように連結する引き出し電極連結部とを備えたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１
図１は本発明にかかる半導体装置の構成を説明する斜視図である。
かかる半導体装置は、例えば、厚さ４ｍｍのＣｕ製のベース板１の上に、厚さ２００μｍの半田層２（図示せず）を介して絶縁基板３が設けられている。この絶縁基板３はＡｌＮなどの絶縁体である厚さ０．６ｍｍのセラミック板の表裏面に厚さ２５０μｍのＣｕ配線パターンが形成されたものである。絶縁基板３の上には、厚さ２００μｍの半田層４（図示せず）を介して、電力用半導体素子である、厚さ２５０μｍ、主面の大きさが１５ｍｍ角のＩＧＢＴ５、および、ほぼ同一の厚さと大きさを有するダイオード６が設けられている。ＩＧＢＴ５およびダイオード６の表面には、引き出し電極端部１０および１１と電気的に接続するための、厚さ２００μｍの金属電極（外部電極端部）５Ａおよび６Ａが、各々形成されている。金属電極５Ａおよび６Ａは、各々、厚さ１００μｍの半田層７および８を介して引き出し電極端部１０および１１と電気的に接続されている。また、引き出し電極端部１０および１１は、各々、その中央部にて連結部（引き出し電極連結部）１２および１３を介して引き出し電極配線部（インナーリード部）９と連結されている（図１においては、連結部１２、１３は引き出し電極配線部９に隠れているため見えていない）。なお、ＩＧＢＴ５の表面には、この他、ＩＧＢＴの動作を制御するための信号配線のために、直径４００μｍのアルミニウムワイヤ１４が超音波接合によって接合されている。このアルミニウムワイヤ１４は、図示しない装置外部の端子に電気的に繋がる電極と接続されている。また、ベース板１は例えばＡｌ製のヒートシンクなどに熱伝導グリースなどを介してネジ止めされ、ＩＧＢＴ５やダイオード６が発生する熱を放熱する役目を果たしている。
【０００８】
なお、図１ではＩＧＢＴ５およびダイオード６が、絶縁基板３に１対のみ形成された場合を示したが、通常、絶縁基板３上には配線パターン（Ｃｕ）が形成され、複数の電力用半導体素子（ＩＧＢＴやダイオード等）によって回路が構成されるため、引き出し電極端部１０および１１は半導体素子の数に対応した数だけ形成されることになる。なお、引き出し電極端部１０および１１は、半田の濡れ性の観点からは、Ｃｕで構成されることが望ましいが、半田が濡れるようにＮｉメッキ、Ｓｎメッキ、Ａｇメッキ、はんだメッキなどの表面処理が施されていれば、ＣｕやＣｕ合金の他、４２Ａｌｌｏｙ、ＫＯＶＡＲ等のＦｅベースの合金にて構成しても構わない。
【０００９】
図２は本発明にかかる半導体装置の構成の詳細を説明する断面図で、図１におけるＩＧＢＴ５が設置された部分を右側側面から見た図である。上述したように、ベース基板１の上には半田層２を介して絶縁基板３が接続されている。この絶縁基板３の表裏面にはＣｕ配線パターン３Ａ、３Ｂが形成されている。また、絶縁基板３の上には半田層４を介してＩＧＢＴ５が形成されており、ＩＧＢＴ５の裏面には裏面電極５Ｂが形成され、表面には金属電極５Ａが形成されている。さらに、金属電極５Ａの上には半田層７を介して引き出し電極端部１０が接続されており、この引き出し電極端部１０は連結部１２を介して引き出し電極配線部９と連結されている。なお、図示したように、引き出し電極端部１０と引き出し電極配線部９は、引き出し電極端部１０のほぼ中央に設けられた連結部１２を介して、中空状態、即ち、間に空隙を隔てて対向するように形成されている。また、ベース基板１、絶縁基板３、ＩＧＢＴ５、引き出し電極端部１０、連結部１２および引き出し電極配線部９は樹脂層１５により封着されている。
【００１０】
かかる構成においては、図示したように、半田層７を形成する半田が溶融した場合に、溶融半田は容易に引き出し電極端部１０の上面には塗れ広がらないことが判明した。この現象は以下のように理解されている。すなわち、引き出し電極端部１０の下面と接した溶融半田は、引き出し電極端部１０の側面の上部端までは表面張力により濡れ広がるが、引き出し電極端部１０の側面と上面を隔てるエッジ部分（角の部分）が、溶融半田が表面張力のみで引き出し電極端部１０の上面に濡れ広がることに対し、乗り越えることが困難な壁となる、すなわち、溶融半田の表面張力に対しては変曲点となるためであると考えられる。一方、従来の電力用半導体装置においては、配線部に凸部を設け、電極端部としていたために、半田層を構成する半田が溶融し、表面張力により塗れ広がろうとする際に、上述したような、半田の濡れ広がりに対する壁（引き出し電極端部１０の側面と上面を隔てるエッジ部に相当する部分）が存在せず、配線部の凸部に接した半田が溶融すると、凸部の側面を伝わり、配線部の裏面側にまで塗れ広がるため、容易に半田溜り部を形成することになる。
以上のような理由から、本実施の形態にかかる半導体装置においては、ＩＧＢＴ５と引き出し電極配線部９間には、直ちに、はんだ溜り部が形成されることはない。
【００１１】
図３は本発明にかかる半導体装置の全体構成を説明する断面図で、図１における半導体装置を正面側から見た図である。ＩＧＢＴ５およびダイオード６は、引き出し電極端部１０、１１および連結部１２、１３を介して引き出し電極配線部９に連結され、引き出し電極配線部９は外部電源からの導通電流を流入させるための配線材１６上に構成された内部電極１６Ａと、例えば、常法の超音波接合にて接続される。この部分の接続方法に関しては、ＩＧＢＴ５やダイオード６と直接接続される部分ではないため、超音波接合のみならず、半田付、ろう付、エネルギービーム溶接、カシメなどあらゆる手段を用いることができる。また、ＩＧＢＴ５の表面右側にはアルミワイヤ１４が接続されており、配線材１７上に構成された内部電極１７Ａと、例えば、超音波接合にて接続されている。このアルミワイヤ１４はゲート電極の配線や温度モニターのための配線であり、引き出し電極配線部９のような大電力を流出入させるものではない。従って、アルミワイヤ１４とＩＧＢＴ５との接合は、常法の超音波接合が用いられている。なお、その他の構造は図２にて説明したものと同じであるので説明は省略する。最後に、装置全体が例えばトランスファモールド法によって樹脂１５により封止され、筐体が形成される。この時、配線材１６および１７の一端が装置外部に露出し外部端子１６Ｂおよび１７Ｂを構成し、半導体装置外部の配線と、各々電気的に接続されることになる。
【００１２】
次に、かかる構成を採用し、半田溜り部の形成を抑制した理由を説明する。従来の半導体装置においては、引き出し電極と半導体素子を半田付けにて接続する時、特許文献１に開示されたように、溶融半田は引き出し電極の凸部側に濡れ広がると共に、引き出し電極の凸部の裏面角部に半田溜り部を形成する。上述の特許文献１に開示された従来の半導体装置は、引き出し電極と半導体素子間の応力を緩和させることを目的とし、この半田溜り部を積極的に形成している。しかしながら、半田溜り部が形成されると、溶融した半田が半田溜り部に表面張力によって凝集することによって、接合界面での半田厚さが不足したり、接合界面において半田接合の強度が不足する等の問題が発生し、装置の信頼性、電気特性に影響を及ぼすことがある。
【００１３】
また、半田溜り部が形成されると、半田付けに用いられたフラックスが半導体素子周縁部に拡散する恐れが生じる。特に、半導体素子表面と半田溜まり部との間隙が小さい部分では洗浄後のフラックス残渣によって、長期的に半導体装置を使用すると、耐電圧劣化等の絶縁性能の低下を生じる場合がある。このように、半導体素子に引き出し電極を半田付けする場合には、上述した半田溜り部の形成は好ましくない。そこで、本発明にかかる半導体素子においては、引き出し電極に連結部により中空状態に保持された電極端部を設け、溶融半田が、引き出し電極の配線部裏面にて半田溜り部を形成することのない構成を採用することにより、半導体素子の電気的な信頼性、半田付け時の安定性の向上を図ったものである。すなわち、本発明にかかる半導体装置においては、引き出し電極配線部９に連結部１２、１３により中空状態にて保持された引き出し電極端部１０、１１を設け、この引き出し電極端部１０、１１とＩＧＢＴ５およびダイオード６を半田付けにて接続することとしたため、上述した理由により、ＩＧＢＴ５およびダイオード６の表面と引き出し電極配線部９の裏面間に、直ちに、半田溜り部が形成されることがない。その結果、電気的絶縁性において、信頼性の高い半導体装置が容易に実現されることになる。
また、従来の半導体装置の課題である、半導体素子に対する応力緩和は、本願発明においては、引き出し電極端部と引き出し電極配線部間に設けられた連結部および引き出し電極端部と半導体素子間に形成される半田層がその役割を担うため、半田溜り部を形成する必要はない。
【００１４】
なお、かかる引き出し電極配線部と引き出し電極端部が連結部にて中空状態に保持された構造体は、例えば、常法の射出成型により容易に作成することが可能である。
【００１５】
また、上記実施の形態においては、接合材としては半田を用いた場合について説明したが、半田の代わりに、高融点のろう材や銀ペーストのような高分子材料を用いた場合であっても、半田同様にぬれ現象によって部材を接合するプロセスであるため、同様の効果を有する。
【００１６】
以上、本発明にかかる半導体装置によれば、引き出し電極端部と引き出し電極配線部とを連結部により空隙を有するように連結したことにより、半導体素子と引き出し電極端部を半田付けする際に半田溜り部を形成することが無く、電気的信頼性に優れた引き出し電極構造を有した半導体装置が実現される。
【００１７】
実施の形態２
図４は、本発明にかかる半導体装置の、他の実施の形態の構成を説明する斜視図である。本実施の形態にかかる半導体装置においては、連結部１２、１３が引き出し電極配線部９の側面に設けられ、Ｕ字型に略１８０度折り曲げられることにより、引き出し電極端部１０、１１を引き出し電極配線部９の直下に中空保持している点にて実施の形態１にて示した半導体装置と異なるものである。
【００１８】
図５は、本発明にかかる半導体装置の構成を説明する断面図で、図４におけるＩＧＢＴ５が設置された部分を右側側面から見た図である。このように、引き出し電極配線部９と引き出し電極端部１０は、引き出し電極配線部９の側面に設けられ、Ｕ字型に略１８０度折り曲げられた連結部１２にて連結されている。また、本実施の形態の半導体装置においては、実施の形態１にて示した半導体装置と異なり、ＩＧＢＴ５の表面には、中央部に半田の濡れ性が高い金属電極（外部電極端部）５Ａを設けると共に、周縁部には、チップ表裏電極の沿面放電を回避するのに十分な絶縁距離を確保するためのガードリング５Ｃに、保護膜としてＳｉＯ２やガラスなどの皮膜が施されている。かかる構成とすることで、ＩＧＢＴ５の表面に半田層７を形成する際に、溶融した半田が半導体素子周縁部へ回り込むことがなく、半田の濡れ性が高い金属電極５Ａにのみ安定に半田層７が形成されることになる。なお、その他の構成は図２と同じであるため、説明は省略する。
【００１９】
このように、本実施の形態にかかる半導体装置においては、ＩＧＢＴ５の表面には、中央部にはんだの濡れ性が高い金属電極５Ａを設けると共に、周縁部には、ガラス被膜やＳｉＯ２被膜が表面に形成された部分（ガードリング）５Ｃが設けられている。そのため、金属電極５Ａに形成された半田層７が、加熱され溶融した場合にも、表面張力のみでは半導体素子周縁部へ回り込む恐れは小さい。しかしながら、半導体素子の表面にガードリングを設けても、引き出し電極の配線部の裏面にはんだ溜り部が形成されると、溶融半田が過剰に存在した場合、溶融した半田がガードリングを乗り越えることにより半導体素子の周縁部と引き出し電極の配線部が短絡する恐れが生じる。そのため、半導体素子の電気的な信頼性が低下する。そのような場合においても、本発明にかかる半導体装置の構成を用いることで、はんだ溜り部の形成が抑制されるため、かかる半導体素子の電気的な信頼性が低下することはない。すなわち、半導体素子の表面に溶融半田の拡散を防止するガードリング部を設け、引き出し電極端部が連結部によって引き出し電極配線部と中空状態に保持されることにより、半導体素子と引き出し電極間にはんだ溜り部が形成されにくく、より電気的信頼性の高い半導体装置が実現される。
【００２０】
また、本実施の形態における半導体装置においては、引き出し電極端部１０の周縁部のうち、連結部１２と接続する部分は湾曲形状を有しているため、実施の形態１にて説明したような溶融半田の濡れ広がりに対するエッジの効果は有していない。しかしながら、図５に示された形状から分かるように、連結部１２がＵ字型に略１８０度折り曲げられて引き出し配線部９と連結されているため、この部分においては従来のような、半導体素子の周縁部にオーバーハングするような半田溜り部が形成されることはなく、従来の半導体装置にて生じたような問題は発生しない。
なお、本発明にかかる半導体装置の構成を、実施の形態１にて示したような、表面に上述したガードリング部を有しない半導体素子に適用しても同様の効果が得られることはいうまでもない。
【００２１】
図６（ａ）、（ｂ）は、本発明にかかる半導体装置の引き出し電極配線部、連結部および引き出し電極端部の構成と作成方法を説明する図である。かかる引き出し電極配線部９、連結部１２、１３および引き出し電極端部１０、１１は、図６（ａ）に示されたように構成され、連結部１２、１３および引き出し電極端部１０、１１が引き出し電極配線部９の側面から突出した形状を有している。図６（ｂ）は連結部１２、１３をＵ字型に略１８０度折り曲げた状態を示している。このように、連結部１２、１３および引き出し電極端部１０、１１が引き出し電極配線部９の側面から突出した形状とし、連結部１２、１３をＵ字型に略１８０度折り曲げるだけで、引き出し電極配線部９と引き出し電極端部１０、１１とが中空状態に保持された構造が容易に得られ、コストが低減され、好適である。
【００２２】
以上、本発明のこの実施の形態にかかる半導体装置によれば、連結部および引き出し電極端部が引き出し電極配線部の側面から突出した形状とし、連結部をＵ字型に略１８０度折り曲げることにより、引き出し電極端部と引き出し電極配線部とを連結部により空隙を有するように連結した構成が容易に得られ、半導体素子と引き出し電極端部を半田付けする際にはんだ溜り部を形成することが無く、電気的信頼性に優れた引き出し電極構造を有した半導体装置が低コストにて実現される。
【００２３】
実施の形態３
図７は、本発明にかかる半導体装置の、他の実施の形態の構成を説明する断面図である。かかる半導体装置は、引き出し電極配線部９と引き出し電極端部１０を別部材にて構成した点を除けば、実施の形態２にて説明した半導体装置と構成は同じである。
すなわち、図７に示すように、引き出し電極配線部９の一部に引き出し電極端部１０を形成する別部材を、引き出し電極配線部９と引き出し電極端部１０間に空隙を有するように固着する。固着する方法としては、超音波接合、ろう付、エネルギービーム溶接などで可能であり、図７の構造においても本発明による所望の形状となり、半田が金属膜電５Ａからはみ出さない形状が得られ、実施の形態２にて示した半導体装置同様の効果が得られる。
【００２４】
本実施の形態にかかる半導体装置によれば、引き出し電極配線部９と引き出し電極端部１０が別部材にて構成されるため、例えば、引き出し電極配線部９をＣｕ、引き出し電極端部１０をＩＧＢＴ５と熱膨張係数の差が小さい材料とすることができ、半田層７に加わる熱応力を緩和することが可能となり、引き出し電極端部１０とＩＧＢＴ５間の接合における熱疲労に対する信頼性が向上する。
また、引き出し電極配線部９と引き出し電極端部１０が別部材にて構成されるため、引き出し電極端部１０の任意形状への加工が容易となる効果も併せ持つ。
【００２５】
以上、本発明のこの実施の形態にかかる半導体装置によれば、実施の形態２にて示した構成において、引き出し電極配線部９と引き出し電極端部１０を別部材にて構成したことにより、実施の形態２で得られた効果に加え、引き出し電極端部と引き出し電極配線部の設計裕度の高い半導体装置が得られ、好適である。
【００２６】
実施の形態４
図８は、本発明にかかる半導体装置の、他の実施の形態の構成を説明する断面図、図９（ａ）、（ｂ）は、図８に示した半導体装置の引き出し電極配線部、連結部および引き出し電極端部の構成と作成方法を説明する図である。かかる半導体装置は、引き出し電極配線部９を厚く、引き出し電極端部１０を薄く構成した点を除けば、実施の形態２にて説明した半導体装置と構成は同じである。
このように接合部を薄くすることによって、例えば、引き出し電極配線部９がＣｕで構成されている場合には、半導体装置全体の温度が変化することによって発生する、引き出し電極端部１０とＩＧＢＴ５間、および、ダイオード６と接合材である半田層７間にて生ずる熱ひずみを薄い引き出し電極端部１０によって抑制でき、実施の形態２で得られた効果に加え、引き出し電極配線部９の電気抵抗の増加を抑制しつつ、動作中の熱サイクルに対する信頼性が向上する効果が得られる。
【００２７】
また、引き出し電極端部１０を、２０ＧＰａ程度のヤング率を有したエポキシ系の樹脂など、従来のシリコン系のゲル（ヤング率：＜１ＭＰａ）等に比べて剛性のある樹脂によって封止してもよい。この場合には、半導体装置が温度サイクルを受けた時に発生する引き出し電極端部１０の変形が抑制され、各半導体素子と引き出し電極端部１０を接合する半田７に発生する熱応力、ひずみが軽減されることにより、半導体装置の長期信頼性が向上する。また、本実施の形態においては、引き出し電極端部１０と引き出し電極配線部９の空隙には封止樹脂７が充填されている例を示したが、引き出し電極端部１０と引き出し電極配線部９の空隙は、金属、無機物などにて充填しておいても構わない。
【００２８】
以上、本発明のこの実施の形態にかかる半導体装置によれば、連結部および引き出し電極端部が引き出し電極配線部の側面から突出した形状とし、連結部を略１８０度折り曲げることにより、引き出し電極端部と引き出し電極配線部とを連結部により空隙を有するように連結した構成において、連結部の厚みを薄くしたので、実施の形態２にて示した効果に加え、引き出し電極配線部の電気抵抗の増加を抑制しつつ、動作中の熱サイクルに対する信頼性が向上する効果が得られる。
【００２９】
実施の形態５
図１０は、本発明にかかる半導体装置の、他の実施の形態の構成を説明する断面図、図１１（ａ）、（ｂ）は、図１０に示した半導体装置の引き出し電極配線部、連結部および引き出し電極端部の構成と作成方法を説明する図である。かかる半導体装置は、引き出し電極端部１０、１１に貫通穴を設けた点を除けば、実施の形態２にて説明した半導体装置と構成は同じである。
【００３０】
図１１（ａ）に示した通り、引き出し電極端部１０、１１には貫通孔１０’、１１’が形成されており、曲げ成型することによって、図１０に示されたように引き出し電極端部１０、１１が形成され、貫通孔１０’、１１’がＩＧＢＴ５およびダイオード６上に配置される。
以上のような構成とすることによって、図１０に示したように、例えばＩＧＢＴ５と引き出し電極端部１０を接合する場合に、過剰な半田が供給された時、接合とは無関係な溶融半田は貫通孔１０’内に上昇し、引き出し電極端部１０の裏面もしくは引き出し電極配線部９に濡れを生じ、ＩＧＢＴ５の電極領域外へ溶融半田がはみ出したり、引き出し電極配線部９とＩＧＢＴ５間に半田溜り部を形成する恐れが軽減される。この際、貫通孔１０’内面にもＮｉメッキ、Ａｇメッキ、Ａｕメッキ、Ｓｎメッキ、はんだメッキ、Ｐｄメッキなど半田の濡れ性が良好な表面処理を施しておくと、余分な半田を効率よく貫通孔１０’から空隙部内面へと塗れ広がらせることが可能となる。
【００３１】
また、図１０に示すように、半田層７が引き出し電極端部１０と引き出し電極配線部９間にブリッジを形成することにより引き出し電極端部１０と引き出し電極配線部９間を直接接合したとしても、空隙部の存在により溶融半田は空隙部内面へと塗れ広がるため、引き出し電極端部１０から溶融半田が容易にあふれ出ることはない。
【００３２】
また、貫通孔１０’を設けておくと、半田付時のフラックス、接合部５Ａと溶融した半田材が接触する時に巻き込んだ周囲の雰囲気ガスおよび接合部材と濡れを生じない半田の酸化被膜などを排出でき、好適である。その他、貫通孔１０’を流れる半田の流れにより溶融半田の流動が促進され、半田接合部に存在する酸化膜を破壊することにより、半田接合部に不規則に発生するボイドを抑制することができ、接合プロセスの安定性、接合信頼性が向上する。
【００３３】
なお、上記実施の形態においては、引き出し電極端部１０、１１に貫通穴１０’、１１’を設けたが、引き出し電極端部１０、１１にはかかる貫通穴に代えて溝を設けてもよい。図１２は、引き出し電極端部１０、１１に溝１０’’、１１’’を設けた場合の構成説明図である。また、本実施の形態においては、各引き出し電極端部１０、１１に穴もしくは溝を１つ設けた構成につき説明したが、穴もしくは溝は複数設けてもよい。例えば、図１２に示した１つの溝１０’’、１１’’に代えて、櫛状の複数の溝を設けてもよい。
【００３４】
引き出し電極端部１０、１１に溝を設けることにより、上述したように、半田付プロセスの際に形成される半田のボイドも内部電極の間隙に排出することが可能となるので、引き出し電極端部１０、１１の接合面内では低ボイドの高品質接合を実現出来るという効果が生じる。
【００３５】
また、引き出し電極端部１０、１１に溝を複数個設けることにより、引き出し電極端部１０、１１が複数個に分割されることになり、半田に発生する熱応力が分散されるため、半田ひずみが軽減され、熱サイクルによる半田接合部の疲労に対する寿命が向上する効果も併せ持つ。
【００３６】
さらに、引き出し電極端部１０、１１に溝を複数個設けた場合には、通常のフラックスを有する半田を用いた接合に代えて、低酸素領域で液状フラックスを用いずに接合するフラックスレス接合を用いることが望ましい。その理由は以下の通りである。
引き出し電極端部１０、１１に溝を複数個設けた場合には、複数の溝を介して半田が濡れ広がるために、通常のフラックスを有する半田を用いた接合の場合には、フラックスの拡散により、溶融した半田が、引き出し電極端部１０、１１および引き出し電極配線部９の広い範囲にまで濡れ広がる。そのため、半田溜り部の形成を抑制する効果が大きいが、このことは、逆に不要な半田領域を広範囲に形成することを意味する。かかる不要な半田領域の形成は、半田使用量の増加および電気的信頼性の観点からは本来好ましくない。
【００３７】
一方、フラックスレス接合では、半田の濡れ拡がりは接合母材と溶融半田の濡れ現象に依存するため、引き出し電極端部１０、１１に溝を複数個設けた場合においても、溶融した半田は引き出し電極端部１０、１１の裏面にまでは濡れ拡がらない。そのため、不要な半田領域が広範囲に形成されることはなく、半田溜り部の形成を抑制するとともに、半田使用量の増加が抑制され、電気的信頼性に優れた接合が低コストにて実現されることになる。
【００３８】
以上、本発明のこの実施の形態にかかる半導体装置によれば、引き出し電極端部と引き出し電極配線部とを連結部により空隙を有するように連結した構成において、引き出し電極端部に貫通穴もしくは溝を設けたため、半導体素子と引き出し電極端部を半田付けする際に、過剰な溶融半田が生じた場合においても、引き出し電極端部に設けられた貫通穴もしくは溝を通って、引き出し電極端部の裏面に溶融半田が流れるため、半田溜り部の形成がさらに抑制され、実施の形態２にて得られた効果に加え、さらに優れた電気的信頼性を有する引き出し電極構造を有した半導体装置が低コストにて実現される。
【００３９】
実施の形態６
図１３は、本発明にかかる半導体装置の、他の実施の形態の構成を説明する断面図、図１４（ａ）、（ｂ）は、図１３に示した半導体装置の引き出し電極配線部、連結部および引き出し電極端部の構成と作成方法を説明する図である。かかる半導体装置は、引き出し電極配線部９の両側面に連結部１２Ａ、１２Ｂ、１３Ａ、１３Ｂを設け、ＩＧＢＴ５、ダイオード６に対する引き出し電極端部を、各々２つ設けた点（１０Ａ、１０Ｂ及び１１Ａ、１１Ｂ）を除けば、実施の形態２にて説明した半導体装置と構成が同じである。
図１４（ａ）に示した通り、引き出し電極配線部９には左右の側面に連結部１２Ａ、１２Ｂが設けられ、連結部１２Ａ、１２Ｂに連結された引き出し電極端部１０Ａ、１０Ｂが引き出し電極配線部９の直下に、中空状態、即ち、間に空隙を隔てて対向して保持されている。かかる引き出し電極部は以下のようにして作成される。すなわち、図１４（ｂ）に示されたように、引き出し電極配線部９の両側面に設けられた連結部１２Ａ、１２Ｂ、１３Ａ、１３Ｂが、Ｕ字型に略１８０度折り曲げられることによって引き出し電極端部１０Ａ、１０Ｂ、１１Ａ、１１Ｂが形成されることになる。なお、溶融半田の流れを考慮すると、両電極は曲げ成型後に重なり合うことのないように隙間を持って成型されることが望ましい。
【００４０】
かかる構成とすることにより、図１３に示したように、複数個所の接合部によって半田溜まりが分散されるようになり、半田が接合領域からあふれ出すことに起因する耐電圧低下による装置の不良発生を抑制することが可能となる。
【００４１】
また、半導体素子においては、電流が多く流れる部分の発熱が大きいため、引き出し電極端部が半導体素子の中央部直上に設けられていると、半導体素子の中央部の温度が上昇しやすい。しかし、本実施の形態においては、引き出し電極端部が半導体素子の中央部から外れた２点に分離配置されるため、半導体素子における発熱の中心部（引き出し電極端部と相対する部分）が、半導体素子の中央部から離れた２点に分散されることになり、半導体素子中心における温度集中が、効率的に抑制されることになる。具体的には、中央部に連結部を有する構造にて、半導体素子中心温度が約１２５℃になるような動作条件において、両側に連結部を有する構造では、半導体素子中心温度が約１２０℃に抑制されることが判明している。なお、半導体素子の温度が５℃程度抑制されると、製品寿命としては約２倍延びることが実験的に確認されており、半導体装置の信頼性は大幅に向上することになる。
【００４２】
以上、本発明のこの実施の形態にかかる半導体装置によれば、引き出し電極端部と引き出し電極配線部とを連結部により空隙を有するように連結した構成において、１つの半導体素子に接続される引き出し電極端部を２つの部分に分離したため、半田溜り部の形成がさらに抑制され、かつ、半導体素子の最大温度を抑制することが可能となり、実施の形態２にて得られた効果に加え、さらに優れた電気的信頼性を有する引き出し電極構造を有した半導体装置が実現される。
【００４３】
実施の形態７
図１５は、本発明にかかる半導体装置の、他の実施の形態の構成を説明する断面図である。かかる半導体装置は、引き出し電極配線部９の上部に第２の引き出し電極配線部１８を設けた点を除けば、実施の形態６にて説明した半導体装置と構成が同じである。
図１５に示した通り、引き出し電極配線部９の上部には第２の引き出し電極配線部１８が設けられている。この第２の引き出し電極配線部１８は、Ｃｕなどの良導体にて形成されている。また、引き出し電極配線部９、連結部１２Ａ、１２Ｂ、引き出し電極端部１０Ａ、１０Ｂは、Ｍｏ若しくは４２Ａｌｌｏｙ、ＫＯＶＡＲなどのＦｅ系合金若しくは前記材料とＣｕのクラッド材のような、電気抵抗は増大するが、低熱膨張である材料にて構成されている。
【００４４】
第２の引き出し電極配線部１８と引き出し電極配線部９との接合は高温はんだ付、ろう付、カシメなど電気的接触を得られるものであれば特に限定されることなく、使用可能である。
【００４５】
かかる構成とすることにより、装置全体の温度変化、半導体素子動作時の発熱による温度変化に起因して発生するＩＧＢＴ５の主材料であるＳｉと引き出し電極端部１０Ａ、１０Ｂを構成する材料との線膨張係数差によって発生する半田層７に対する応力、ひずみを軽減することが可能となり、半導体装置の熱疲労に対する信頼性を向上させることができる。
【００４６】
本実施の形態にては、第２の引き出し電極配線部と引き出し電極配線部、連結部、引き出し電極端部とを別部材によって構成している。そのため、引き出し電極端部を、所望の形状に構成しやすいという利点がある。なお、第２の引き出し電極配線部の材料としては低熱膨張部材を挙げたが、引き出し電極配線部、連結部、引き出し電極端部と同じであるＣｕであっても構わない。
【００４７】
以上、本発明のこの実施の形態にかかる半導体装置によれば、引き出し電極端部と引き出し電極配線部とを連結部により空隙を有するように連結した構成において、引き出し配線部上に良導体にて構成された第２の引き出し電極配線部を設けたため、装置全体の温度変化、半導体素子動作時の発熱による温度変化に起因して発生する半導体素子と引き出し電極端部との線膨張係数差によって発生する半田層に対する応力、ひずみを軽減することが可能となり、半導体装置の熱疲労に対する信頼性を向上させることができ、実施の形態６にて得られた効果に加え、さらに優れた電気的信頼性を有する引き出し電極構造を有した半導体装置が実現される。
【００４８】
【発明の効果】
以上、本発明にかかる半導体装置によれば、表面に外部電極端部を備えた半導体素子と、外部電極端部の上に形成された導電性の接合部材と、外部電極端部に相対して設けられ、接合部材を介して外部電極端部に接合された引き出し電極端部と、引き出し電極端部と相対する位置に設けられ、半導体素子の導通電流を外部に導出するための引き出し電極配線部と、引き出し電極端部と引き出し電極配線部とを空隙を有するように連結する引き出し電極連結部とを備えているため、半導体素子と引き出し電極端部を半田付けする際に半田溜り部を形成することが無く、電気的信頼性に優れた引き出し電極構造を有した半導体装置が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる半導体装置の構成を説明する斜視図である。
【図２】本発明にかかる半導体装置の構成を説明する断面図である。
【図３】本発明にかかる半導体装置の構成を説明する断面図である。
【図４】本発明にかかる半導体装置の構成を説明する斜視図である。
【図５】本発明にかかる半導体装置の構成を説明する断面図である。
【図６】本発明にかかる半導体装置の引き出し電極部の構成を説明する斜視図である。
【図７】本発明にかかる半導体装置の構成を説明する断面図である。
【図８】本発明にかかる半導体装置の構成を説明する断面図である。
【図９】本発明にかかる半導体装置の引き出し電極部の構成を説明する斜視図である。
【図１０】本発明にかかる半導体装置の構成を説明する断面図である。
【図１１】本発明にかかる半導体装置の引き出し電極部の構成を説明する斜視図である。
【図１２】本発明にかかる半導体装置の引き出し電極部の構成を説明する斜視図である。
【図１３】本発明にかかる半導体装置の構成を説明する断面図である。
【図１４】本発明にかかる半導体装置の引き出し電極部の構成を説明する斜視図である。
【図１５】本発明にかかる半導体装置の構成を説明する断面図である。
【符号の説明】
１ベース板、２半田層、３絶縁基板、３ＡＣｕ配線パターン、
３ＢＣｕ配線パターン、、４半田層、５ＩＧＢＴ、５Ａ金属電極、
５Ｂ金属電極、５Ｃガードリング、６ダイオード、６Ａ金属電極、
７半田層、８半田層、９引き出し電極配線部、１０引き出し電極端部、
１０’ 貫通穴、１０’’ 溝、１１引き出し電極端部、１１’ 貫通穴、
１１’’ 溝、１２連結部、１３連結部、１４アルミニウムワイヤ、
１５封止樹脂、１６配線材、１６Ａ内部電極、１６Ｂ外部電極、
１７配線材、１７Ａ内部電極、１７Ｂ外部電極、
１８第２の引き出し電極配線部。

Claims

表面に外部電極端部を備えた半導体素子と、
前記外部電極端部の上に形成された導電性の接合部材と、
前記外部電極端部に相対して設けられ、前記接合部材を介して前記外部電極端部に接合された引き出し電極端部と、
この引き出し電極端部と相対する位置に設けられ、前記半導体素子の導通電流を外部に導出するための引き出し電極配線部と、
前記引き出し電極端部と前記引き出し電極配線部との間に空隙を有するように連結する引き出し電極連結部とを備えてなる半導体装置。
前記引き出し電極連結部が前記引き出し電極配線部の側面に設けられ、折り曲げられて、前記引き出し電極端部と連結してなる請求項１に記載の半導体装置。
前記引き出し電極端部に溝又は貫通孔が設けられてなる請求項１または２に記載の半導体装置。
前記半導体素子と、前記接合部材と、前記引き出し電極端部と、前記引き出し電極配線部と、前記引き出し電極連結部とを封止する樹脂層とをさらに備えてなる請求項１から３のいずれかに記載の半導体装置。