JP2007103909A - 半導体装置 - Google Patents

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善次 坂本
Naohiko Hirano
尚彦 平野
Kuniaki Masamitsu
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Abstract

【課題】両面放熱型の半導体装置において、ブロック体とはんだ接続される金属板に設けたはんだ溝内のはんだが、ブロック体の端面を濡れ広がるのを極力抑制する。
【解決手段】一対の金属板３、４の間に半導体素子１、２を介在させるとともに、一方の金属板４と半導体素子１、２との間にブロック体６を介在させ、一方の金属板４とブロック体６とをはんだ５を介して接続し、これらをモールド樹脂７にて封止し、一対の金属板３、４の放熱面３ａ、４ａをモールド樹脂から露出させた半導体装置において、ブロック体６とはんだ付けされる一方の金属板４におけるはんだ５が設置される領域の外周に、はんだ５の広がりを防止するための環状の溝１０を設け、この溝１０の内面に、ブロック体６の端面よりもはんだ５の濡れ性が大きい部材１０ａを設けた。
【選択図】図３

Description

本発明は、金属板に、はんだを介して半導体素子を接合し、金属板にて放熱するようにした放熱型の半導体装置に関する。
従来、この種の半導体装置として、対向する一対の金属板の間に半導体素子を介在させるとともに、一方の金属板と半導体素子との間にブロック体を介在させ、一方の金属板とブロック体とをはんだを介して接続し、一対の金属板、半導体素子およびブロック体をモールド樹脂にて封止し、一対の金属板の放熱面をモールド樹脂から露出させたものが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
このような半導体装置は、それぞれの金属板の放熱面がモールド樹脂から露出することにより、半導体素子の両面からの放熱が可能となっており、両面放熱型の半導体装置として構成されている。
また、半導体素子と金属板との間に介在するブロック体は、たとえば、複数個の半導体素子を金属板で挟むことや、半導体素子とリード端子とのワイヤボンディングを行うためのスペースを確保することのために、一対の金属板の間の高さを調整する目的で用いられる。
ところで、このような半導体装置は、金属板、半導体素子、ブロック体、金属板を順次積層してなるが、この場合、片方の金属板上に半導体素子、ブロック体を順次積層して組み付けた後、このものを、ブロック体側を下方に向けて、もう一方の金属板の上に搭載し、はんだを介して接続することにより組み付けられる。
このとき、一対の金属板が隔てられている方向の高さ、すなわち、各部品の積層方向の高さの公差ばらつきを吸収するために、多目のはんだをブロック体と金属板との間に介在させてはんだ付けを行う。
その場合、多目のはんだの濡れ広がりを防止することが必要となる。この場合の対策として、従来では、はんだ付けされる部材を設置する基材側の面において、当該部材の設置領域の外周に、はんだが濡れ広がるのを防止するための溝（以下、はんだ溝という）を設けることが、一般的に行われている（たとえば、特許文献２参照）。
特開２００５−１２３２３３号公報 特開２００４−３３５７７６号公報
しかし、上記した両面放熱型の半導体装置においては、金属板におけるはんだが設置される領域の外周に、このはんだ溝を設けた場合に、はんだ溝に溜まる余剰のはんだが、ブロック体の端面を濡れ広がって半導体素子まで伝わり、短絡などの不具合を発生する可能性がある。
ちなみに、このようなはんだ溝に関する問題は、金属板の上に、はんだを介して半導体素子を接合してなる半導体装置においても、金属板におけるはんだが設置される領域の外周に、このはんだ溝を設けた場合に、はんだ溝に溜まる余剰のはんだが、半導体素子の端面を濡れ広がって半導体素子の上や、はんだ溝の外部にまで伝わり、短絡などの不具合を発生する可能性がある。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、一対の金属板の間にブロック体を介して半導体素子を挟み、これらをモールド樹脂にて封止してなる両面放熱型の半導体装置において、ブロック体とはんだ接続される金属板に設けたはんだ溝内のはんだが、ブロック体の端面を濡れ広がるのを極力抑制することを目的とする。
また、本発明は、金属板の上に、はんだを介して半導体素子を接合してなる半導体装置において、半導体素子とはんだ接続される金属板に設けたはんだ溝内のはんだが、半導体素子の端面を濡れ広がるのを極力抑制することを他の目的とする。
本発明者は、はんだ溝内面のはんだ濡れ性を、ブロック体の端面よりも大きくしてやればよいと考え、本発明を創出するに至った。
すなわち、本発明は、両面発熱型の半導体装置において、ブロック体（６）とはんだ付けされる一方の金属板（４）における対向する面のうちはんだ（５）が設置される領域の外周に、はんだ（５）の広がりを防止するための環状の溝（１０）を設け、この溝（１０）の内面に、ブロック体（６）の端面よりもはんだ（５）の濡れ性が大きい部材（１０ａ）を設けたことを第１の特徴とする。
それによれば、はんだ（５）の広がりを防止するための環状の溝（１０）の内面に、ブロック体（６）の端面よりもはんだ（５）の濡れ性が大きい部材（１０ａ）を設けているため、当該溝（１０）内のはんだ（５）がブロック体（６）の端面に濡れ広がるのを極力抑制することができる。
ここで、はんだの濡れ性が大きい部材（１０ａ）としては、金メッキからなる膜（１０ａ）を採用することができ、その膜厚は、はんだ濡れ性の確保、および、モールド樹脂（７）との密着性の確保の両面を考慮して、０．０１μｍ〜０．０３μｍであることが好ましい。
また、本発明者は、金属板の上に、はんだを介して半導体素子を接合してなる半導体装置においては、はんだ溝内面のはんだ濡れ性を、半導体素子の端面よりも大きくしてやればよいと考え、本発明を創出するに至った。
すなわち、本発明は、金属板（３）の上に、はんだ（５）を介して半導体素子（１、２）を接合してなる半導体装置において、金属板（３）におけるはんだ（５）が設置される領域の外周に、はんだ（５）の広がりを防止するための環状の溝（１０）を設け、溝（１０）の内面に、半導体素子（１、２）の端面よりもはんだ（５）の濡れ性が大きい部材（１０ｂ）を設けたことを、第２の特徴とする。
それによれば、はんだ（５）の広がりを防止するための環状の溝（１０）の内面に、半導体素子（１、２）の端面よりもはんだ（５）の濡れ性が大きい部材（１０ｂ）を設けているため、当該溝（１０）内のはんだ（５）が半導体素子（１、２）の端面に濡れ広がるのを極力抑制することができる。
この場合、はんだ（５）の濡れ性が大きい部材としては、金メッキからなる膜（１０ｂ）であり、その膜厚は０．０１μｍ〜０．１μｍであるものにできる。
なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置１００の概略平面構成を示す図であり、図２は、図１中のＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。なお、図１は、図２の上視図であるが、この図１においては、半導体装置１００におけるモールド樹脂７内の各部の平面配置構成をモールド樹脂７を透過して示している。
また、図３は、図２中の溝１０の近傍部の拡大図であり、図４は、図２中の第１の半導体素子１側のブロック体６の近傍部の拡大図である。この半導体装置１００は、たとえば自動車などの車両に搭載され、車両用電子装置を駆動するための装置として適用されるものである。
図１、図２に示されるように、本半導体装置１００は、平面的に配置された２個の半導体素子１、２を備える。本例では、第１の半導体素子１はＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）１であり、第２の半導体素子２は、ＦＷＤ（フライホイールダイオード）２である。
そして、これら両半導体素子１、２の両面は、半導体素子１、２の電極および放熱部材として機能する一対の金属板３、４にて挟まれている。これら金属板３、４は、一般的なリードフレーム材料からなるもので、本例では銅合金にニッケルメッキを施した板材により構成されている。
ここで、一対の金属板３、４は、半導体素子１、２を挟むように対向して配置されているが、図２において、一対の金属板３、４のうち上側に位置する金属板３を、第１の金属板３とし、下側に位置する金属板４を、第２の金属板４とする。また、各金属板３、４において、互いに対向する面すなわち内面とは反対側の外面は、放熱面３ａ、４ａとして構成されている。
そして、両半導体素子１、２の一面と第１の金属板３の内面との間は、はんだ５によって電気的・熱的に接続されている。また、両半導体素子１、２の他面と第２の金属板４との間には、ブロック体６が介在している。
このブロック体６は、電気導電性、熱伝導性に優れた矩形ブロック状のもので、通常銅からなるが、モリブデンなどを用いてもよい。本例では、ブロック体６は銅からなる。そして、各半導体素子１、２とブロック体６との間、および、ブロック体６と第２の金属板４の内面との間は、はんだ５によって電気的・熱的に接続されている。
ここで、各部を接続するはんだ５は、一般的な半導体装置の分野にて採用されるはんだ材料とすることができ、たとえば、すず−銅合金系はんだなどの鉛フリーはんだを採用することができる。
そして、図１、図２に示されるように、本実施形態の半導体装置１００においては、一対の金属板３、４およびこれに挟み込まれた半導体素子１、２、ブロック体６が、モールド樹脂７にて封止されている。このモールド樹脂７はエポキシ系樹脂などからなり、型成形によって形成されたものである。
また、図１に示されるように、一対の金属板３、４のそれぞれにおいて放熱面３ａ、４ａが、モールド樹脂７から露出している。これにより、本半導体装置１００は、第１および第２の半導体素子１、２の両面のそれぞれにて、第１の金属板３、第２の金属板４を介した放熱が行われる両面放熱型の構成となっている。
また、一対の金属板３、４は、はんだ５やブロック体６を介して、両半導体素子１、２の各面の図示しない電極に電気的に接続されている。
ここで、図１、図２に示されるように、半導体装置１００においては、半導体素子１、２と電気的に接続された複数の端子３ｂ、４ｂ、８が設けられており、これら各端子３ｂ、４ｂ、８は、その一部がモールド樹脂７から露出するように、モールド樹脂７に封止されている。
ここで、本例では、一対の金属板３、４において第１の金属板３、第２の金属板４は、それぞれ、第１の半導体素子１としてのＩＧＢＴ１のコレクタ側の電極および第２の半導体素子２としてのＦＷＤ２のカソード側の電極、ＩＧＢＴのエミッタ側の電極およびＦＷＤのアノード側の電極となるものである。
そして、上記各端子のうちコレクタリード３ｂは、第１の金属板３と一体に成形されたものであり、第１の金属板３の端面からモールド樹脂７の外側に突出して露出している。また、エミッタリード４ｂは、第２の金属板４と一体に成形されたものであり、第２の金属板４の端面からモールド樹脂７の外側に突出して露出している。
また、図１、図２に示されるように、上記各端子のうち金属板３、４とは別体のリードフレームからなる端子８は、モールド樹脂７の内部にて、ＩＧＢＴ１の周囲に設けられている制御端子８である。
この制御端子８は、ＩＧＢＴ１のゲート端子や各種の検査用端子などとして構成されるものである。そして、ＩＧＢＴ１は、ボンディングワイヤ９を介して、制御端子８と電気的に接続されている。
このような構成において、第２の金属板４と半導体素子１、２との間に介在するブロック体６は、このＩＧＢＴ１と制御端子８とのワイヤボンディングを行うにあたって、ワイヤ９の高さを維持するために、ＩＧＢＴ１のワイヤボンディング面と第２の金属板４との間の高さを確保している。
ここで、第２の金属板４とブロック体６との間は、はんだ５が介在し、これら両者４、６を機械的・電気的・熱的に接続しているが、図２〜図４に示されるように、第２の金属板４における内面のうちはんだ５が設置される領域の外周には、このはんだ５の広がりを防止するための溝（以下、はんだ溝という）１０が設けられている。
図５は、第２の金属板４の内面の平面構成を示す図であり、はんだ溝１０の平面形状を示す図である。図５に示されるように、２個設けられているブロック体６に対応して、第２の金属板４の内面において、はんだ溝１０は２個設けられている。
各はんだ溝１０は、それぞれ対応するブロック体６の平面サイズよりも一回り大きな環状の溝として構成されている。ここで、環状であるとは、はんだ溝１０が、ブロック体６のうちはんだ付けされる部位の外周を取り巻くように形成されていることであり、この環状のはんだ溝１０の内周にブロック体６のはんだ付け部位が収まる。
本例では、はんだ溝１０は、平面矩形状のブロック体６に対応して平面形状が矩形環状の溝として構成されている。はんだ５は、このはんだ溝１０の内周部に設置され、リフロー時にそこから濡れ広がろうとするのを、このはんだ溝１０により防止できるようになっている。
また、本例の半導体装置１００では、両半導体素子１、２の平面サイズが異なるため、各はんだ溝１０は、平面形状が異なっており、ＩＧＢＴ１側のブロック体６に対応するもののほうが、ＦＷＤ２側のブロック体６に対応するものよりも大きなサイズの溝となっている。
また、本例では、図３、図４に示されるように、はんだ溝１０は、断面矩形の溝であるが、図４に示されるように、各ブロック体６の端面は、はんだ溝１０の幅の範囲内に位置するように、各ブロック体６とはんだ溝１０との位置関係が設定されている。
図４において、はんだ溝１０の幅の範囲は矢印Ｗの範囲であるが、ブロック体６の端面の位置を示す破線Ｌがこの範囲Ｗの中に位置している。
そして、本実施形態においては、はんだ溝１０の内面のはんだ濡れ性を、ブロック体６の端面よりも大きいものとしている。具体的には、図３に示されるように、はんだ溝１０の内面には、ブロック体６の端面よりもはんだ５の濡れ性が大きい部材１０ａが設けられている。
ここで、当該部材１０ａとしては、ブロック体６の端面よりもはんだ５の濡れ性が大きいものであればよい。ブロック体６は、上述したように銅やモリブデンなどからなるため、当該部材１０ａとしては、金や銀あるいはすずからなる膜が挙げられる。また、そのような膜の形成方法としては、メッキ、蒸着などが挙げられる。
本例では、はんだ５の濡れ性が大きい部材１０ａとして、金メッキからなる膜１０ａが設けられている。
本例では、第２の金属板４の内面に対してプレス加工によりはんだ溝１０の溝形状を形成した後、その溝１０の内面に、金メッキを行うことにより、膜１０ａを形成している。なお、この金メッキからなる膜１０ａは、通常の電気メッキ、無電解メッキなどの各種メッキ方法により行うことができる。
また、このような部材１０ａとしての金メッキからなる膜１０ａは、第２の金属板４の内面において、少なくともはんだ溝１０の内面に形成されていればよい。
すなわち、はんだ溝１０の内面にのみ部材１０ａが形成されていてもよいが、図３に示されるように、はんだ濡れ性を高めるべくはんだ溝１０の内周部にも形成されていてもよいし、さらには、はんだ溝１０の内面を含む第２の金属板４の全面に設けられていてもよい。
このような半導体装置１００の製造方法について、図６を参照して述べる。図６は、本製造方法を示す工程図である。まず、第１の金属板３の内面の上に、はんだ泊を介して、半導体素子１、２を搭載する。そして、この半導体素子１、２の上に、はんだ泊を介して、ブロック体６を搭載する。
そして、このようにして各部１、２、３、６がはんだ箔を介して積層されたワークにおいて、はんだ泊をリフローさせることにより各部１、２、３、６をはんだ付けする。そして、上記制御端子８となるリードフレームとＩＧＢＴ１との間でワイヤボンディングを行い、上記ワイヤ９による結線を行う。
なお、このワイヤボンディングは、ブロック体６を積層する前のＩＧＢＴ１において、ＩＧＢＴ１と第１の金属板３とをはんだ付けした状態で行い、続いて、ブロック体６の積層を行ってもよい。こうして、制御端子８と接続されたワークができあがる。
そして、図６（ａ）に示されるように、このワークにおいてブロック体６に多目のはんだ５を施しておき、ブロック体６を下方に向けて、はんだ溝１０が形成された第２の金属板４の上に、当該はんだ５を介して搭載する。なお、ここにおいて、第２の金属板４側に上記した多めのはんだ５を施してもよい。
上述したように、多目のはんだ５を介してブロック体６を接続することは、半導体装置における高さの公差ばらつきを、このはんだ５にて吸収するためである。なお、半導体素子側に、公差ばらつき吸収のための余剰のはんだを設けることは、半導体素子表面へのはんだの回り込みによる付着などの不具合が起こるため、行うことはできない。
こうして、上記ワークを搭載した後、図６（ｂ）に示されるように、はんだリフローを行うととともに、このワークに荷重を加えて第２の金属板４に押しつけ、半導体装置１００における高さを所定の高さとなるようにする。この場合、たとえば、図６（ｂ）に示されるように、高さ調整治具Ｋを用いて所定高さを実現する。
このとき、多目のはんだ５をブロック体６と第２の金属板４との間に供給しているため、たとえば、上記ワークの高さが設計値よりも小さい方へばらついていたとしても、ブロック体６と第２の金属板４との間のはんだ５は、不足することなく、確実な接続を行うことができる。
また、このとき、各ブロック体６の端面を、はんだ溝１０の幅の範囲内に位置させているため、ワークを第２の金属板４に押しつけたときの力によって、ブロック体６の端面の下に位置するはんだ５が、はんだ溝１０へ向かって押される。その結果、余剰のはんだ５が、はんだ溝１０に収納されやすくなっている。
こうして、半導体装置１００ができあがる。ここで、はんだ５のリフロー時においては、はんだ溝１０に溜まる余剰のはんだ５が、図６（ｂ）中の矢印に示されるように、ブロック体６の端面を濡れ広がって半導体素子１、２まで伝わり、短絡などの不具合を発生する可能性がある。
そのような点を考慮して、本実施形態では、上記図３に示したように、はんだ溝１０の内面に、ブロック体６の端面よりもはんだ５の濡れ性が大きい部材１０ａを設けている。そのため、はんだ溝１０内のはんだ５がブロック体６の端面に濡れ広がるのを極力抑制することができる。
ここで、本例の半導体装置１００においては、はんだの濡れ性が大きい部材１０ａとしての金メッキからなる膜１０ａ（以下、金メッキ膜１０ａという）は、その厚さを０．０１μｍ〜０．０３μｍとしている。このことは、次に述べるような検討結果に基づくものである。
図７は、金メッキ膜１０ａの厚さを変えていったときのはんだ濡れ性の変化を示す図、図８は、金メッキ膜１０ａの厚さを変えていったときの金メッキ膜１０ａとモールド樹脂７との密着性の変化を示す図である。
なお、金メッキ膜１０ａとモールド樹脂７との密着性について調査した理由は、次の通りである。たとえば、上記組み付け時において、はんだ溝１０は、必ずしもはんだ５で埋まるとは限らず、空きスペースが生じることがある。
また、はんだ溝１０の部分に選択的に金メッキ膜１０ａを形成しようとしても、製造上の誤差などにより、はんだ溝１０の外周部に金メッキ膜１０ａがはみ出すことがある。このようなことから、金メッキ膜１０ａとモールド樹脂７との接触は十分起こりうる。そのため、金メッキ膜１０ａとモールド樹脂７との密着性の調査を行った。
はんだ濡れ性については、はんだとしては、すず−銅系の鉛フリーはんだを用い、通常のはんだ濡れ性試験であるはんだボール試験を行った。
これは、金属板４の表面に形成された金メッキ膜１０ａの上に、一定の大きさのはんだボールを搭載し、これをリフローさせて濡れ広がったときのはんだの直径を測定するものである。この直径が大きいほど、はんだ濡れ性が大きく、濡れ広がりやすいということである。
図７において、「ＮｉめっきｏｒＣｕ」は、金メッキ膜１０ａを設けない金属板４の表面であるＮｉめっきと、ブロック体６の端面であるＣｕ（銅）についてのはんだ濡れ性であり、両者ともに３ｍｍ程度のはんだ濡れ性を示した。
また、金メッキ膜１０ａの膜厚を０．０１〜０．０５μｍで変えていき、はんだ濡れ性を調査したところ、いずれの膜厚の金メッキ膜１０ａについても、ブロック体６よりも大きなはんだ濡れ性を示した。
また、図７に示されるように、金メッキ膜１０ａの膜厚の増加に伴い、はんだ濡れ性は増加する傾向にあるが、０．０５μｍでは、０．０３μｍとさほど変わらず、はんだ濡れ性が飽和すると考えられる。
また、モールド樹脂７との密着性については、金メッキ膜１０ａ上を封止するモールド樹脂７のせん断強度を実験的に調査した。図８において、「Ｎｉめっき」は、金メッキ膜１０ａを設けない金属板４の表面であるＮｉめっきのことである。また、図８中のストレスレベルは、せん断強度がこのレベル以下であると、実用レベルにおいて樹脂剥離が生じることを意味する。
図８に示されるように、金メッキ膜１０ａの膜厚を０．０１〜０．０５μｍで変えていくと、いずれの膜厚の金メッキ膜１０ａについても、ストレスレベルよりも大きな密着性を示した。
ここで、金メッキ膜１０ａの膜厚が０．０１μｍ以上ならば、ブロック体６の端面よりも大きなはんだ濡れ性が確保できること、また、０．０５μｍでははんだ濡れ性の増加が飽和すること、また、０．０５μｍではストレスレベルに対する余裕度が小さいこと、さらに、膜厚を大きくするほど、コストが増加すること、これらの点を考慮して、金メッキ膜１０ａの膜厚を０．０１μｍ〜０．０３μｍとしている。
このように金メッキ膜１０ａの膜厚を変えたときに、はんだ濡れ性やモールド樹脂７との密着性が変化することは、メカニズムは不明であるが、上記実験事実に基づくものであり、それゆえ、本例では、金メッキ膜１０ａの膜厚を上記範囲とした。
また、図９は、本例の半導体装置１００において、はんだ溝１０の幅Ｗおよび深さＤ（上記図４参照）を変えていったときの、はんだ濡れ性について調査した結果を示す図表である。
ここでは、はんだ溝１０の内面に金メッキ膜１０ａを形成せず、当該内面を第２の金属板４の表面であるＮｉめっきとして調査を行った。はんだ濡れ性については、はんだ溝１０内にちょうど収まる大きさのはんだボールを用い、上記同様のはんだボール試験により行った。
はんだ溝１０の幅Ｗについては、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍ、２．０ｍｍと変えていき、はんだ溝１０の深さＤについては、０．１ｍｍ、０．３ｍｍ、０．５ｍｍと変えていった。
図９に示されるように、おおよそ、はんだ溝１０の幅Ｗが１．５ｍｍ以下であり、深さが０．３ｍｍ以上である場合に、比較的大きなはんだ濡れ性を示している。このメカニズムについても詳細は不明であるが、この結果から、本例においては、この範囲の幅Ｗおよび深さＤを有するはんだ溝１０が望ましい。
（第２実施形態）
図１０は、本発明の第２実施形態に係る第２の金属板４の内面の平面構成を示す図であり、はんだ溝１０の平面形状を示す図である。
上記第１実施形態では、半導体素子１、２に応じてブロック体６およびはんだ溝１０は、２個設けられており、各々のはんだ溝１０は互いに平面形状が異なるものであった（上記図５参照）。
上述したように、はんだ溝１０は金属板４にプレス加工を行うことにより形成される。プレス加工においては、はんだ溝１０が形成されるのに伴い、はんだ溝１０の周囲の部分が変形する。
ここで、１枚の金属板４に対して複数個のはんだ溝１０が形成される場合、それらの平面形状が異なると、このプレス加工による変形度合が、金属板４において部分的に異なり、金属板４の平面度が悪化する可能性がある。そして、この平面度が悪化すると、ひいては、一対の金属板３、４同士の平行度の悪化にもつながる。
そこで、図１０に示されるように、第２の金属板４における内面に、この第２の金属板４の平面度を確保するためのダミーの溝１１を設ける。このダミーの溝１１は、同じくプレス加工により形成され、はんだ溝１０による金属板４の変形を緩和する機能を持ち、当該平面度の悪化を緩和する。
たとえば、本例では、平面形状の異なる２個のはんだ溝１０が設けられているが、ダミーの溝１１は、これら２個のはんだ溝１０の個々についてそれぞれ設け、これら２個のはんだ溝１０の個々の溝とこれに対応するダミーの溝１１とを一組としたとき、これら２個の組同士の溝の平面形状を同一とする。
具体的には、図１０に示されるように、ＩＧＢＴ１側の大きなはんだ溝１０と、ＦＷＤ２側の小さなはんだ溝１０とが存在する場合、大きなはんだ溝１０については、その内周に、小さなはんだ溝１０と同程度の大きさのダミーの溝１１を設け、一方、小さなはんだ溝１０については、その外周に、大きなはんだ溝１０と同程度の大きさのダミーの溝１１を設ける。
それによって、ダミーの溝１１を含めた個々のはんだ溝１０同士について、すなわち、図１０中の左側の溝１０、１１の組と、右側の溝１０、１１の組とを比べた場合、これら２つの組同士の溝の平面形状が同一となる。
そのため、金属板４において、個々のはんだ溝１０によって発生する部分的な変形度合の相違を緩和することができ、金属板４の平面度の悪化を緩和することができる。
（第３実施形態）
図１１は、本発明の第３実施形態に係る半導体装置２００の概略断面構成を示す図である。上記第１実施形態では、両面放熱型の半導体装置１００であったが、本第３実施形態の半導体装置２００は、片面放熱型のものである。
すなわち、本半導体装置２００は、金属板３の上に、はんだ５を介して半導体素子１、２を接合してなる。ここで、半導体素子１、２、金属板３、はんだ５は、上記第１実施形態のものと同様のものにできる。なお、ここでは半導体素子１、２は２個示してあるが、単数でも３個以上でもよい。そして、各部の電気的な接続構成は、図示しないボンディングワイヤなども含めて、通常のこの種の半導体装置と同様に行われている。
また、この半導体装置２００においては、各半導体素子１、２の熱は、はんだ５から金属板３を介して放熱されるようになっている。そして、金属板３におけるはんだ５が設置される領域の外周には、はんだ５の広がりを防止するための環状の溝１０（はんだ溝１０）が設けられている。このはんだ溝１０は、上記実施形態にて設けられたはんだ溝１０と同じような環状の溝として構成されている。
さらに、本実施形態では、はんだ溝１０の内面のはんだ濡れ性を、半導体よりなる半導体素子１、２の端面よりも大きいものとしている。具体的には、はんだ溝１０の内面には、半導体素子１、２の端面よりもはんだ５の濡れ性が大きい部材１０ｂが設けられている。なお、図１１では、この部材１０ｂの厚さは、わかりやすくするためデフォルメしてある。
ここで、当該部材１０ｂとしては、半導体素子１、２の端面よりもはんだ５の濡れ性が大きいものであればよい。半導体素子１、２は半導体からなるため、本実施形態では当該部材１０ｂとしては、金メッキからなる膜１０ｂを採用している。この金メッキからなる膜１０ｂのはんだ溝１０に対する構成や形成方法は、上記第１実施形態における膜１０ａとはんだ溝１０との関係と同様である。
このように、本実施形態では、はんだ溝１０の内面に、半導体素子１、２の端面よりもはんだ５の濡れ性が大きい部材１０ｂを設けることにより、はんだ溝１０内のはんだ５が半導体素子１、２の端面に濡れ広がるのを極力抑制することができる。
そして、本実施形態では、この金メッキからなる膜１０ｂの膜厚を、０．０１μｍ以上０．１μｍ以下としている。このことは、はんだ濡れ性とはんだ接合強度についての本発明者の検討結果に基づく。はんだ濡れ性については、上記第１実施形態と同様のはんだボール試験を半導体について行い、はんだの広がり面積を濡れ性として調べ、はんだ接合強度については引っ張り強度にて調べた。
図１２は、本実施形態における金メッキからなる膜１０ｂ（以下、本実施形態において、金メッキ膜１０ｂという）の厚さを変えていったときのはんだ濡れ性の変化を示す図であり、図１３は、金メッキからなる膜１０ｂの厚さを変えていったときのはんだ接合強度の変化を示す図である。なお、図１２、図１３では、実測を示すプロットに対して計算により近似曲線を示してある。
図１２に示されるように、金メッキ膜１０ｂの膜厚が０．０１μｍ以上１．０μｍ以下の場合には、それ以外の膜厚の場合に比べて、はんだ濡れ性が大きくなっていることがわかる。また、図１３に示されるように、金メッキ膜１０ｂの膜厚が１．０μｍを越えると、はんだ接合強度が顕著に低下する。このことから、本実施形態では金メッキ膜１０ｂの膜厚は、０．１μｍ〜１．０μｍが望ましい。
（他の実施形態）
なお、上記各図に示されるはんだ溝１０は、一実施形態を示すものであり、その寸法や形状は、上記の図示例に限定されるものではない。上記実施形態では、はんだ溝１０は断面矩形の溝形状であったが、たとえば、Ｖ溝やＵ溝などであってもよい。
また、はんだ溝１０は、上記例では、平面矩形状のブロック体６や半導体素子１、２に対応して平面形状が矩形環状の溝として構成されていたが、このような環状のものに限定されるものではなく、ブロック体６や半導体素子１、２のはんだ付け部位の平面形状に対応した環状の溝として、種々の形状が採用可能である。
図１４（ａ）〜（ｃ）は、上記各実施形態に採用可能なはんだ溝１０の平面形状の種々の変形例を示す図である。図１４において（ｂ）や（ｃ）に示されるように、はんだ溝１０は不連続な環状をなすものでもよい。また、図１５（ａ）〜（ｆ）は、上記各実施形態に採用可能なはんだ溝１０の断面形状の種々の変形例を示す図である。これらのはんだ溝１０は、プレスなどにより形成できる。
また、上記第１実施形態では、第２の金属体４側にブロック体６がはんだ付けされたが、それとは反対に第１の金属板３側にブロック体６を介在させ、これをはんだ付けするようにしてもよい。この場合、第１の金属体３側にはんだ溝１０が設けられることになる。
また、上記第１実施形態における両面放熱型の半導体装置においては、ブロック体６がはんだ付けされる第２の金属体４側にはんだ溝１０が設けられているが、半導体素子１、２がはんだ付けされる第１の金属体３側にも、上記第３実施形態と同様に、金からなるメッキ膜１０ｂを有するはんだ溝１０を設けてもよい。また、上記の各メッキ膜１０ａ、１０ｂは金属板３、４の全面に設けられていてもよい。
また、上記第１実施形態においては、上記各端子３ｂ、４ｂ、８のモールド樹脂７からの露出位置については、上記図示例に限定されない。
また、両面放熱型の半導体装置においては、一対の金属板３、４に挟まれる半導体素子としては、両面に配置される一対の金属板３、４を電極として用いることが可能なものであれば、上記したＩＧＢＴ１やＦＷＤ２でなくてもよい。また、半導体素子は１個でもよいし、３個以上でもよい。
そして、３個以上の半導体素子が存在する場合は、上記した２個の例と同様に、それに対応してブロック体、はんだ溝も、半導体素子と同数設けられる。そして、複数個のはんだ溝毎に、上記したダミーの溝を設けてもよい。
本発明の第１実施形態に係る半導体装置の概略平面図である。 図１中のＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。 図２中のはんだ溝近傍部の拡大図である。 図２中の第１の半導体素子側のブロック体の近傍部の拡大図である 第２の金属板の内面に形成されたはんだ溝の平面形状を示す図である。 上記実施形態の半導体装置の製造方法を示す工程図である。 金メッキ膜の厚さを変えていったときのはんだ濡れ性の変化を示す図である。 金メッキ膜の厚さを変えていったときの金メッキ膜とモールド樹脂との密着性の変化を示す図である。 はんだ溝の幅および深さを変えていったときの、はんだ濡れ性の調査結果を示す図表である。 本発明の第２実施形態に係る第２の金属板の内面の平面構成を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る半導体装置の概略平面図である。 上記第３実施形態において金メッキ膜の厚さを変えていったときのはんだ濡れ性の変化を示す図である。 上記第３実施形態において金メッキ膜の厚さを変えていったときのはんだ接合性の変化を示す図である。 本発明の他の実施形態に係るはんだ溝の種々の平面形状を示す図である。 本発明の他の実施形態に係るはんだ溝の種々の断面形状を示す図である。
符号の説明
１…半導体素子としてのＩＧＢＴ、２…半導体素子としてのＦＷＤ、
３…第１の金属板、３ａ…第１の金属板の放熱面、
４…第２の金属板、４ａ…第２の金属板の放熱面、５…はんだ、６…ブロック体、
７…モールド樹脂、１０…はんだ溝、
１０ａ、１０ｂ…はんだの濡れ性が大きい部材としての金メッキ膜、
１１…ダミーの溝。

Claims (8)

  1. 対向して配置されるとともに対向する面と反対側の面が放熱面（３ａ、４ａ）となっている一対の金属板（３、４）と、
    前記一対の金属板（３、４）の間に介在する半導体素子（１、２）と、
    一方の前記金属板（４）と前記半導体素子（１、２）との間に介在するブロック体（６）と、
    前記一方の金属板（４）と前記ブロック体（６）との間に介在しこれら両者を接続するはんだ（５）と、
    前記一対の金属板（３、４）、前記半導体素子（１、２）および前記ブロック体（６）を封止するモールド樹脂（７）とを備え、
    前記一対の金属板（３、４）の前記放熱面（３ａ、４ａ）が前記モールド樹脂（７）から露出している半導体装置において、
    前記一方の金属板（４）における前記対向する面のうち前記はんだ（５）が設置される領域の外周には、前記はんだ（５）の広がりを防止するための環状の溝（１０）が設けられており、
    前記溝（１０）の内面には、前記ブロック体（６）の端面よりも前記はんだ（５）の濡れ性が大きい部材（１０ａ）が設けられていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記はんだ（５）の濡れ性が大きい部材は金メッキからなる膜（１０ａ）であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記金メッキからなる膜（１０ａ）の膜厚は０．０１μｍ〜０．０３μｍであることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
  4. 前記ブロック体（６）の端面は、前記溝（１０）の幅の範囲内に位置することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の半導体装置。
  5. 前記ブロック体（６）は複数個設けられ、前記一方の金属板（４）において前記溝（１０）は、各々の前記ブロック体（６）に対応して複数個設けられており、
    各々の前記溝（１０）は平面形状が異なるものであり、
    前記一方の金属板（４）における前記対向する面には、当該金属板（４）の平面度を確保するためのダミーの溝（１１）が設けられていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の半導体装置。
  6. 前記ダミーの溝（１１）は、前記平面形状の異なる複数個の溝（１０）の個々についてそれぞれ設けられているものであり、
    前記複数個の溝（１０）の個々の溝とこれに対応する前記ダミーの溝（１１）とを一組としたとき、これら複数個の組同士の溝の平面形状が同一となっていることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
  7. 金属板（３）の上に、はんだ（５）を介して半導体素子（１、２）を接合してなる半導体装置において、
    前記金属板（３）における前記はんだ（５）が設置される領域の外周には、前記はんだ（５）の広がりを防止するための環状の溝（１０）が設けられており、
    前記溝（１０）の内面には、前記半導体素子（１、２）の端面よりも前記はんだ（５）の濡れ性が大きい部材（１０ｂ）が設けられていることを特徴とする半導体装置。
  8. 前記はんだ（５）の濡れ性が大きい部材は、金メッキからなる膜（１０ｂ）であり、その膜厚は０．０１μｍ〜０．１μｍであることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
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