JP2010147053A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体装置に関し、特にパワー半導体素子を備えた半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device including a power semiconductor element.
パワーモジュールでは、回路基板上に半導体素子(パワー半導体素子)を半田付けし、当該半導体素子の電極と回路基板の電気的な接続をワイヤボンディングにより実施するのが一般的である。 In a power module, a semiconductor element (power semiconductor element) is generally soldered on a circuit board, and electrical connection between the electrode of the semiconductor element and the circuit board is performed by wire bonding.
また、最近では、ワイヤボンディングによらず、配線経路としてリードフレームを半導体素子の電極、回路基板に半田付けする構成も提供されている(例えば、特許文献1参照)。この方法では、長時間にわたるワイヤボンディング工程を削除できるため、半導体装置の生産性が向上する。
しかしながら、上述したパワーモジュールを作動させると、半導体素子の昇降温が繰り返され、リードフレームの半田接合の部分に常時応力が印加されてしまう。このため、当該接合部分においては、クラックが発生したり、剥離が発生したりする場合もある。 However, when the power module described above is operated, the temperature of the semiconductor element is repeatedly raised and lowered, and stress is always applied to the solder joint portion of the lead frame. For this reason, in the said junction part, a crack generate | occur | produces and peeling may generate | occur | produce.
このように、パワーモジュールでは、半導体素子の電極とリードフレームとの電気的接続に関し、その信頼性が損なわれるという問題があった。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、信頼性の高い半導体装置を提供することを目的とする。
Thus, the power module has a problem that the reliability of the electrical connection between the electrode of the semiconductor element and the lead frame is impaired.
The present invention has been made in view of these points, and an object thereof is to provide a highly reliable semiconductor device.
上記課題を解決するために、半導体素子と、前記半導体素子の電極に接触する導電板と、前記半導体素子及び前記導電板とを封止する封止用部材と、を有し、前記封止用部材の線膨張係数が前記導電板の線膨張係数よりも小さいことを特徴とする半導体装置が提供される。 In order to solve the above-described problems, the semiconductor device includes a semiconductor element, a conductive plate that contacts an electrode of the semiconductor element, and a sealing member that seals the semiconductor element and the conductive plate. A semiconductor device is provided in which a member has a linear expansion coefficient smaller than that of the conductive plate.
上記手段によれば、電気的接続に関し、その信頼性の高い半導体装置が実現する。 According to the above means, a highly reliable semiconductor device can be realized with respect to electrical connection.
以下、本実施の形態に係る半導体装置を、図面を参照しながら詳細に説明する。
<第1の実施の形態>
図1は第1の実施の形態に係る半導体装置の要部断面模式図である。
Hereinafter, a semiconductor device according to the present embodiment will be described in detail with reference to the drawings.
<First Embodiment>
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an essential part of the semiconductor device according to the first embodiment.
図示する如く、半導体装置(半導体パッケージ)1においては、絶縁基板10を基体とし、当該絶縁基板10上に、錫(Sn)−銀(Ag)系の鉛フリーの半田層11を介して、少なくとも一つの半導体素子20が搭載されている。
As shown in the drawing, in a semiconductor device (semiconductor package) 1, at least an
ここで、絶縁基板10は、絶縁板10aと、絶縁板10aの下面にDCB(Direct Copper Bonding)法で形成された金属箔10bと、絶縁板10aの上面に同じくDCB法で形成された金属箔10cを備えている。即ち、金属箔10bと金属箔10cは、絶縁板10aを隔てて、当該絶縁板10aの上下の主面に選択的に配置されている。
Here, the
また、半導体素子20としては、パワー半導体素子が用いられる。例えば、半導体素子20として、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)素子、パワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)等が使用される。また、半導体素子20は、これらの素子に限られず、FWD(Free Wheeling Diode)素子であってもよい。
Further, a power semiconductor element is used as the
そして、半導体装置1においては、半導体素子20の一方の電極(裏面電極)20bが半田層11を介して、金属箔10cに接合している。
また、半導体装置1においては、半導体素子20の電極20bが配置されている主面とは反対側の主面に配置されている、もう一方の電極(表面電極)20aには、リードフレーム、或いはヒートスプレッダとして機能する導電板30が密接している。
In the semiconductor device 1, one electrode (back electrode) 20 b of the
In the semiconductor device 1, the other electrode (surface electrode) 20a disposed on the main surface opposite to the main surface on which the
尚、電極20bは、例えば、パワー半導体素子のコレクタ(ドレイン)電極等の主電極が対応し、電極20aは、パワー半導体素子のエミッタ(ソース)電極等の主電極、或いはゲート電極等の制御用電極が対応する。
The
また、導電板30の一部は、ベントされ、当該導電板30は、凸状(Ω字状)の屈曲部30aを備えている。尚、電極20aと導電板30との間には、必要に応じて、導電ペーストを介在させてもよい。
Further, a part of the
また、半導体装置1においては、絶縁基板10、半導体素子20及び導電板30の保護を目的として、絶縁基板10の主面の少なくとも一部、半導体素子20及び導電板30の少なくとも一部を封止用部材である封止用樹脂40により被覆している。
In the semiconductor device 1, at least a part of the main surface of the
そして、半導体装置1においては、封止用樹脂40の線膨張係数が導電板30の線膨張係数よりも低く調整されている。
例えば、導電板30の線膨張係数は、16ppm/℃以上であり、封止用樹脂40の線膨張係数は、15ppm/℃以下である。
In the semiconductor device 1, the linear expansion coefficient of the
For example, the linear expansion coefficient of the
このような導電板30及び封止用樹脂40の線膨張係数を調節することにより、半導体装置1においては、導電板30と電極20aとの密接状態が維持されている。
そして、導電板30と電極20aとの密接は、例えば、屈曲部30aを、例えば、治具(図示しない)等を用いて上方から下方に向かい押圧することによって、電極20aに対し導電板30を加圧接触させながら、半導体素子20及び導電板30を封止用樹脂40により封止することにより達成される。
By adjusting the linear expansion coefficients of the
The
このような構成であれば、半導体装置1を作動させて、半導体素子20の発熱により導電板30が膨張しても、封止用樹脂40の線膨張係数が導電板30の線膨張係数より低いことから、導電板30には圧縮応力が発生する。即ち、半導体装置1の作動中において、導電板30は、封止用樹脂40から加圧されることになり、導電板30と電極20aとの密接状態が維持される。
With such a configuration, even when the semiconductor device 1 is operated and the
例えば、導電板30としてアルミニウム(Al)を用いた場合、アルミニウムの線膨張係数は、その純度や用いられる温度範囲にもよるが、24ppm/℃〜26ppm/℃である。ここで、導電板30が、線膨張係数26ppm/℃でヤング率7000kgf/mm2のアルミニウムであり、このような導電板30の周りが、線膨張係数15ppm/℃でヤング率1000kgf/mm2の封止用樹脂40で封止されている場合を想定する。この場合、導電板30には、封止用樹脂40との線膨張係数差、導電板30の温度及びヤング率に応じた応力が掛かるようになる。今、温度上昇量が100℃であると仮定すると、導電板30と封止用樹脂40との線膨張係数差が11ppm/℃であり、導電板30のヤング率が7000kgf/mm2であることから、導電板30に掛かる応力は、約8kgf/mm2になる。導電板30にこの程度の大きさの応力が掛かる場合には、導電板30を封止用樹脂40で有効に拘束することができ、導電板30と電極20aとの密接状態を十分に維持することができる。
For example, when aluminum (Al) is used as the
このように、導電板30より低い線膨張係数の封止用樹脂40を用いることにより、半導体素子20の電極20aと導電板30との電気的な接続は、半田材を用いて電極20aと導電板30とを電気的に接続する方法に比べ、その接続信頼性が向上する。
As described above, by using the
また、半導体素子20の電極20aと導電板30との電気的接続に関しては、リフロー処理を必要としない。従って、リフロー処理工程、半田材の使用を省略することができ、半導体装置1の低コスト化を実現することができる。
In addition, no reflow process is required for the electrical connection between the
また、上記電気的接続に係る半田のリフロー処理工程を省略できることから、半導体装置1の熱ダメージが防止される。
尚、上述した絶縁板10aの材質は、例えば、窒化珪素(SiN)、アルミナ(Al2O3)、窒化アルミニウム(AlN)の少なくとも何れかを含有するセラミック焼結体が適用される。
In addition, since the solder reflow process for electrical connection can be omitted, the semiconductor device 1 is prevented from being thermally damaged.
The material of the
また、金属箔10b,10c、導電板30の材質は、銅(Cu)を主成分とする金属が適用される。
また、半田層11としては、上記の錫(Sn)−銀(Ag)系の鉛フリーの半田の他に、錫(Sn)−アンチモン(Sb)系の鉛フリー半田を用いてもよい。
The
Further, as the
また、封止用樹脂40は、熱硬化性の樹脂であり、樹脂の材質は、例えば、エポキシ樹脂が該当する。
次に、半導体装置の変形例について説明する。尚、以下に例示する図面では、図1と同一の部材には、同一の符号を付している。
Further, the
Next, modified examples of the semiconductor device will be described. In the drawings exemplified below, the same members as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.
<第2の実施の形態>
図2及び図3は第2の実施の形態に係る半導体装置の要部断面模式図である。
半導体装置2においては、半導体素子20の電極20aには、上述したように、導電板30が密接している。また、導電板30は、屈曲部30aを備えている。
<Second Embodiment>
2 and 3 are schematic cross-sectional views of the relevant part of the semiconductor device according to the second embodiment.
In the semiconductor device 2, the
また、半導体装置2においては、絶縁基板10、半導体素子20及び導電板30の保護を目的として、絶縁基板10の主面の少なくとも一部、半導体素子20及び導電板30の少なくとも一部を封止用樹脂40により被覆している。
In the semiconductor device 2, at least a part of the main surface of the
また、半導体装置2においては、上述したように、封止用樹脂40の線膨張係数が導電板30の線膨張係数よりも低く調整されている。
このような導電板30及び封止用樹脂40の線膨張係数を調節することにより、半導体装置2においては、導電板30と電極20aとの密接状態が維持されている。
In the semiconductor device 2, as described above, the linear expansion coefficient of the
By adjusting the linear expansion coefficients of the
そして、当該密接は、例えば、屈曲部30aを治具(図示しない)を用いて、上方から下方に向かい押圧することによって、電極20aに対し導電板30を加圧接触させながら、半導体素子20及び導電板30を封止用樹脂40により封止することにより達成される。
For example, the close contact is performed by pressing the
これにより、半導体素子20の電極20aと導電板30との電気的な接続は、半田材を用いて電極20aと導電板30とを電気的に接続する方法に比べ、その接続信頼性が向上する。
Thereby, the electrical connection between the
また、半導体素子20の電極20aと導電板30との電気的接続に関しては、リフロー処理を必要としない。従って、リフロー処理工程、半田材の使用を省略することができ、半導体装置2の低コスト化を実現することができる。
In addition, no reflow process is required for the electrical connection between the
また、上記電気的接続に係る半田のリフロー処理工程を省略できることから、半導体装置2の熱ダメージが防止される。
特に、半導体装置2においては、電極20aに接触させる導電板30の表面にディンプル加工を施し、導電板30の当該表面に突起部30bを配置している。即ち、電極20aに接触する導電板30の部分に、突起部30bが形成されている。そして、突起部30bを電極20aに圧入している。
Further, since the solder reflow process step related to the electrical connection can be omitted, thermal damage of the semiconductor device 2 is prevented.
In particular, in the semiconductor device 2, dimple processing is performed on the surface of the
これにより、導電板30と電極20aとの接触面積を第1の実施の形態に比べ増大させることができる。また、突起部30bの電極20aへの圧入により、導電板30と電極20aとの密接を第1の実施の形態に比べより向上させることができる。
As a result, the contact area between the
このような構成であれば、半導体素子20の電極20aと導電板30との電気的接続に関し、その接続信頼性をより向上させることができる。
尚、突起部30bの形状は、図2に例示する半球状の突起とは限らない。例えば、図3に例示する三角錐状の突起部30cを導電板30に備えてもよい。このような突起部30cを導電板30に備えても、突起部30bを導電板30に備えた場合と同様の効果が得られる。
With such a configuration, the connection reliability of the electrical connection between the
The shape of the
<第3の実施の形態>
図4は第3の実施の形態に係る半導体装置の要部断面模式図である。
半導体装置3においては、絶縁基板10を基体とし、当該絶縁基板10上に、半田層11を介して、半導体素子20,21が搭載されている。
<Third Embodiment>
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the relevant part of a semiconductor device according to the third embodiment.
In the
そして、半導体装置3においては、半導体素子20,21の一方の電極(裏面電極)20b,21bが半田層11を介して、金属箔10cに接合している。
また、半導体素子20,21の電極20b,21bが配置されている主面とは反対側の主面に配置されている、もう一方の電極(表面電極)20a,21aには、導電板30が架橋するように、当該電極20a,21aに密接している。尚、導電板30は、屈曲部30aを備えている。
In the
In addition, the
ここで、半導体素子21は、パワー半導体素子であり、例えば、IGBT素子、パワーMOSFET等が該当する。また、半導体素子21は、FWD素子であってもよい。
また、半導体装置3においては、導電板30の屈曲部30aに、銅(Cu)を主成分とする外部端子31が密接している。
Here, the
In the
また、半導体装置3においては、絶縁基板10、半導体素子20,21、導電板30及び外部端子31の保護を目的として、絶縁基板10の主面の少なくとも一部、半導体素子20,21、導電板30の少なくとも一部及び外部端子31の少なくとも一部を封止用樹脂40により被覆している。
In the
また、半導体装置3においては、上述したように、封止用樹脂40の線膨張係数が導電板30及び外部端子31の線膨張係数よりも低く調整されている。例えば、導電板30及び外部端子31の線膨張係数は、16ppm/℃以上であり、封止用樹脂40の線膨張係数は、15ppm/℃以下である。
In the
このような導電板30、外部端子31及び封止用樹脂40の線膨張係数を調節することにより、半導体装置3においては、導電板30と電極20a,21aとの密接状態、導電板30と外部端子31との密接状態が維持されている。
By adjusting the linear expansion coefficients of the
そして、これらの密接は、例えば、外部端子31を用いて、屈曲部30aを上方から下方に向かい押圧することにより、電極20a,21aに対し導電板30を加圧接触させながら、半導体素子20,21、導電板30及び外部端子31を封止用樹脂40により封止することにより達成される。
The close contact between the
このような構成であれば、半導体装置3を作動させて、半導体素子20,21の発熱により導電板30及び外部端子31が膨張しても、封止用樹脂40の線膨張係数が導電板30及び外部端子31の線膨張係数より低いことから、導電板30及び外部端子31には圧縮応力が発生する。即ち、半導体装置3の作動中において、導電板30及び外部端子31は、封止用樹脂40から加圧されることになる。その結果、導電板30と電極20a,21aとの密接状態が維持される。また、導電板30と外部端子31との密接状態が維持される。
With such a configuration, even when the
これにより、半導体素子20,21の電極20a,21aと導電板30との電気的な接続は、半田材を用いて電極20a,21aと導電板30とを電気的に接続する方法に比べ、その接続信頼性が向上する。
As a result, the electrical connection between the
また、半導体素子20,21の電極20a,21aと導電板30との電気的接続に関しては、リフロー処理を要しない。従って、リフロー処理工程、半田材の使用を省略することができ、半導体装置3の低コスト化を実現することができる。
In addition, the electrical connection between the
また、上記電気的接続に係る半田のリフロー処理工程を省略できることから、半導体装置3の熱ダメージが防止される。
<第4の実施の形態>
図5は第4の実施の形態に係る半導体装置の要部断面模式図である。
Further, since the solder reflow process step related to the electrical connection can be omitted, the
<Fourth embodiment>
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of an essential part of a semiconductor device according to the fourth embodiment.
半導体装置4においては、絶縁基板10を基体とし、当該絶縁基板10上に、半田層11を介して、半導体素子20,21が搭載されている。
半導体装置4においては、半導体素子20,21の電極20b,21bが半田層11を介して、金属箔10cに接合している。また、半導体素子20,21の電極20a,21aには、導電板30が密接している。尚、導電板30は、屈曲部30aを備えている。
In the semiconductor device 4,
In the semiconductor device 4, the
また、半導体装置4においては、導電板30の屈曲部30aに、銅(Cu)を主成分とする外部端子32が密接している。また、外部端子32の端部32eが屈曲部30aを挟持している。
In the semiconductor device 4, the
そして、半導体装置4においては、絶縁基板10の主面の少なくとも一部、半導体素子20,21、導電板30の少なくとも一部及び外部端子32の少なくとも一部を、封止用樹脂40により被覆している。
In the semiconductor device 4, at least a part of the main surface of the insulating
また、半導体装置4においては、上述したように、封止用樹脂40の線膨張係数が導電板30及び外部端子32の線膨張係数よりも低く調整されている。例えば、導電板30及び外部端子32の線膨張係数は、16ppm/℃以上であり、封止用樹脂40の線膨張係数は、15ppm/℃以下である。
In the semiconductor device 4, as described above, the linear expansion coefficient of the sealing
このような導電板30、外部端子32及び封止用樹脂40の線膨張係数を調節することにより、半導体装置4においては、導電板30と電極20a,21aとの密接状態、導電板30と外部端子32との密接状態が維持されている。
By adjusting the linear expansion coefficients of the
これらの密接は、例えば、外部端子32を用いて、屈曲部30aを上方から下方に向かい押圧することにより、電極20a,21aに対し導電板30を加圧接触させながら、半導体素子20,21、導電板30及び外部端子32を封止用樹脂40により封止することにより達成される。
For example, the close contact of the
これにより、半導体素子20,21の電極20a,21aと導電板30との電気的な接続は、半田材を用いて電極20a,21aと導電板30とを電気的に接続する方法に比べ、その接続信頼性が向上する。
As a result, the electrical connection between the
また、半導体素子20,21の電極20a,21aと導電板30との電気的接続に関しては、リフロー処理を要しない。従って、リフロー処理工程、半田材の使用を省略することができ、半導体装置4の低コスト化を実現することができる。
In addition, the electrical connection between the
また、上記電気的接続に係る半田のリフロー処理工程を省略できることから、半導体装置4の熱ダメージが防止される。
特に、半導体装置4においては、外部端子32の端部32eが屈曲部30aを挟持していることから、端部32eが封止用樹脂40により上下の方向から加圧される。これにより、屈曲部30aと端部32eとの接触強度がより向上する。
Further, since the solder reflow process step related to the electrical connection can be omitted, thermal damage to the semiconductor device 4 is prevented.
In particular, in the semiconductor device 4, since the
<第5の実施の形態>
図6は第5の実施の形態に係る半導体装置の要部断面模式図である。
この図では、導電板30と外部端子31との接触状態が例示されている。図示するように、外部端子31の端部31eには、当該端部31eから延在させた突起部31bが複数本配置され、当該突起部31bが屈曲部30aに形成された貫通孔30hに貫通している。
<Fifth embodiment>
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of an essential part of a semiconductor device according to the fifth embodiment.
In this figure, the contact state between the
このような構成であれば、外部端子31の端部31eが封止用樹脂40により加圧されると共に、外部端子31の導電板30に対する位置決めが確実になされる。従って、外部端子31と導電板30との電気的接続に関し、その信頼性がより向上する。
With such a configuration, the
1,2,3,4 半導体装置
10 絶縁基板
10a 絶縁板
10b,10c 金属箔
11 半田層
20,21 半導体素子
20a,20b,21a,21b 電極
30 導電板
30a 屈曲部
30b,30c,31b 突起部
30h 貫通孔
31,32 外部端子
31e,32e 端部
40 封止用樹脂
1, 2, 3, 4
Claims (5)
前記半導体素子の電極に接触する導電板と、
前記半導体素子及び前記導電板とを封止する封止用部材と、
を有し、前記封止用部材の線膨張係数が前記導電板の線膨張係数よりも小さいことを特徴とする半導体装置。 A semiconductor element;
A conductive plate in contact with the electrode of the semiconductor element;
A sealing member for sealing the semiconductor element and the conductive plate;
And a linear expansion coefficient of the sealing member is smaller than a linear expansion coefficient of the conductive plate.
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