JP2012244132A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、熱抵抗を大きくすることなく、半導体素子に加わる応力を低減可能な半導体装置を提供することを課題とする。
【解決手段】本発明の半導体装置１０は、半導体素子１と、第一の接合材２を介して前記半導体素子１と接合される、導電性を有する第一の電極３と、前記半導体素子１に対して前記第一の電極３の反対側に、第二の接合材４を介して前記半導体素子１と接合される、導電性を有する第二の電極５と、前記第二の電極５に対して前記半導体素子１の反対側に、第三の接合材７を介して前記第二の電極５と接合される、前記第二の電極５よりも線膨張係数の小さい緩衝部材８と、これらを封止する第一の樹脂６と、を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に関する。

鉄道や自動車や船舶等用の回転発電機（回転電機）に搭載され、また、風力発電等用の回転発電機（回転電機）に搭載され、交流出力を直流出力に変換する整流機能を有する半導体装置は、半導体素子と、導電性を有する第一の電極および第二の電極と、これらを接合するはんだとを積層し、半導体素子周辺を絶縁性の封止材で覆う構造となっている。

回転発電機の動作時には、本半導体装置には大電流が流れ半導体素子が発熱し、特に自動車用の場合、部品によっては、２００℃以上の高温で加熱される箇所も存在する。そして、回転発電機の停止時には電流も停止し、本半導体装置は周囲温度まで冷却される。そのため、回転発電機の動作と停止に伴い、本半導体装置には、加熱による膨張と冷却による収縮とが生じる。

このとき、半導体素子、第一の電極および第二の電極の線膨張係数が異なるため、これらを接合するはんだには熱ひずみが発生する。回転発電機が長期にわたり動作および停止を繰り返すと、熱ひずみが原因で、はんだに疲労き裂が発生・進展する場合がある。き裂の進展が進むと、最終的には本半導体装置が機能停止に至る。

はんだの熱ひずみを低減する手段としては、（１）半導体素子で発生した熱を周囲へ逃がしやすい構造としはんだへ加わる温度振幅を小さくすること、または、（２）大きな温度振幅下でもはんだの熱ひずみが小さくなる構造にすること、が考えられる。

はんだの熱ひずみを低減する構造として、特許文献１に示すような技術が知られている。特許文献１に記載されている半導体装置は、半導体素子と第一の電極との間、半導体素子と第二の電極との間に、応力緩衝板を有し、シリコーンゴムにより封止する。本応力緩衝板は、導電性を有し、半導体素子よりも線膨張係数が大きく、かつ、第一の電極および第二の電極よりも線膨張係数が小さい。これにより、線膨張係数の差異が小さくなり、熱ひずみが低減される。

一方、近年の急速な自動車の電装化に伴い、車両用の回転発電機の電力容量は増加傾向にある。それに伴い、本半導体装置における半導体素子の発熱量が増加し、はんだの熱ひずみも増加すると予想される。これに対し、従来製品と同等以上の信頼性を確保するには、はんだの熱ひずみをさらに低減する必要がある。これは、車両用の回転発電機に限ったことではない。

そこで、特許文献２に示すような技術が知られている。特許文献２に記載されている半導体装置は、半導体素子と、第一の電極および第二の電極とを、シリコーンゴムではなく、エポキシ樹脂等により封止する。この半導体装置では、樹脂のヤング率や線膨張係数を適切に選択することで、各部材の熱変形を拘束し、はんだの熱ひずみを低減できる。そのため、応力緩衝板が不要となり、半導体素子で発生した熱を周囲へ逃がしやすく、熱抵抗が低下し、はんだへ加わる温度振幅も小さくなるため、熱ひずみは更に小さくなる。

また、関連する技術として、特許文献３に示すような技術が知られている。特許文献３に記載されている半導体装置は、第一の電極および第二の電極の周囲に拘束材を配置し、シリコーンゴムで封止する。この半導体装置では、電極よりも線膨張係数の小さい拘束材が、電極の熱変形を拘束することで、はんだの熱ひずみを低減することができる。そのため、応力緩衝板が不要となり、半導体素子で発生した熱を周囲へ逃がしやすく、熱抵抗が低下し、はんだへ加わる温度振幅も小さくなるため、熱ひずみは更に小さくなる。

米国特許第４３４９８３１号公報 特開平０１−１５７２５２号公報 特開２００７−２９４６２７号公報

ところで、後記するように、エポキシ樹脂封止型の半導体装置では、エポキシ樹脂で封止する前に、半導体素子と第一、第二の電極とをはんだで接合する工程が必要である。この際、半導体素子に大きな応力が加わるため、半導体装置の構成によっては、半導体素子が割れるおそれがあった。

また、前記したように、回転発電機の電力容量は増加傾向にあるため、半導体装置に加わる温度振幅も今後更に大きくなると考えられる。それに加えて、低環境負荷の鉛フリーはんだが使用されるようになった場合、第一、第二の電極と半導体素子とを接合するはんだが、従来のものよりも硬くなるため、半導体素子に加わる応力が更に大きくなると考えられる。そのため、将来的には、半導体素子が割れるおそれが更に高まると考えられる。

そこで、本発明は従来技術に鑑みて、前記した課題を解決するためになされたものである。本発明の目的は、熱抵抗を大きくすることなく、半導体素子に加わる応力を低減可能な半導体装置を提供することである。

本発明による半導体装置は、半導体素子と、第一の接合材を介して前記半導体素子と接合される、導電性を有する第一の電極と、前記半導体素子に対して前記第一の電極の反対側に、第二の接合材を介して前記半導体素子と接合される、導電性を有する第二の電極と、前記第二の電極に対して前記半導体素子の反対側に、第三の接合材を介して前記第二の電極と接合される、前記第二の電極よりも線膨張係数の小さい緩衝部材と、これらを封止する第一の樹脂と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、半導体素子に加わる応力を低減可能な半導体装置を提供することが可能になる。

実施形態１の半導体装置の構造を説明する図である。（ａ）は、実施形態１の半導体装置の中心を通る断面の断面図である。（ｂ）は、実施形態１の半導体装置の平面図である。 半導体装置のはんだ付けの工程を説明する図である。（ａ）は、比較例の半導体装置のはんだ付けの工程を説明する図である。（ｂ）は、実施形態１の半導体装置のはんだ付けの工程を説明する図である。 比較例の半導体装置のはんだ付けの工程において、各部材に加わる応力を説明する図である。（ａ）は、半導体素子に加わる応力のうち、第一の電極の方向へ加わる応力を説明する図である。（ｂ）は、半導体素子に加わる応力のうち、第二の電極５の方向へ加わる応力を説明する図である。（ｃ）は、半導体素子に加わる応力を説明する図である。 実施形態１の半導体装置のはんだ付けの工程において、各部材に加わる応力を説明する図である。（ａ）は、半導体素子に加わる応力のうち、第一の電極の方向へ加わる応力を説明する図である。（ｂ）は、半導体素子に加わる応力のうち、第二の電極５の方向へ加わる応力を説明する図である。（ｃ）は、緩衝部材に加わる応力を説明する図である。（ｄ）は、半導体素子に加わる応力を説明する図である。 実施形態２の半導体装置の構造を説明する図である。（ａ）は、実施形態２の半導体装置（四角形）の平面図である。（ｂ）は、実施形態２の半導体装置（六角形）の平面図である。 実施形態３の半導体装置の構造を説明する図である。 実施形態４の半導体装置の構造を説明する図である。

以降、本発明を実施するための形態（「本実施形態」と呼ぶ）を、図等を参照しながら詳細に説明する。また、本実施形態を説明するための全図において、同一部には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

＜実施形態１＞
（構造）
まず、実施形態１の半導体装置１０の構造を説明する。
図１は、実施形態１の半導体装置１０の構造を説明する図である。図１（ａ）は、実施形態１の半導体装置１０の中心を通る断面の断面図である。
半導体装置１０は、半導体素子１、第一の接合材２、第一の電極３、第二の接合材４、第二の電極５、エポキシ樹脂６、第三の接合材７および緩衝部材８を含んで構成される。

第一の電極３は、導電性を有し、第一の接合材２を介して半導体素子１と接合されている。
第二の電極５は、導電性を有し、半導体素子１に対して第一の電極３の反対側に、第二の接合材４を介して半導体素子１と接合されている。
緩衝部材８は、第二の電極５に対して半導体素子１の反対側に、第三の接合材７を介して第二の電極５と接合されている。
エポキシ樹脂６は、これらを封止する。

また、図１（ｂ）は、実施形態１の半導体装置１０の平面図である。なお、エポキシ樹脂６の図示は省略されている。
緩衝部材８は、第二の電極５（第二の電極の端子部５ａを除く）の背面全域と接合されている。換言すれば、緩衝部材８は、第二の電極５（第二の電極の端子部５ａを除く）の投影面に配置されている。
なお、図１（ａ）（ｂ）において、緩衝部材８の内径を第二の電極の端子部５ａの直径と同一にしているが、必ずしも同一でなくても構わない。

（製造工程）
次に、半導体装置の製造工程について説明する。
図２は、半導体装置のはんだ付けの工程を説明する図である。図２（ａ）は、比較例の半導体装置のはんだ付けの工程を説明する図である。
比較例の半導体装置では、図示しない治具により、積層した半導体素子１、第一の電極３、第二の電極５、第一の接合材２および第二の接合材４の軸を合わせ、高温にて一括ではんだ付けを行った後、室温に戻している。

この場合に、各部材に加わる応力を、図３を参照して説明する。
図３は、比較例の半導体装置のはんだ付けの工程において、各部材に加わる応力を説明する図である。

図３（ａ）は、半導体素子１に加わる応力のうち、第一の電極３の方向へ加わる応力を説明する図である。
半導体素子１と第一の電極３を、第一の接合材２を用いて接合する工程において、高温で第一の接合材２が溶融するが、室温に冷却する際に、線膨張係数の差により反りが生じる。半導体素子１の材料にはＳｉ（線膨張係数３×１０^−６／℃）が、第一の電極３の材料にはＣｕ（線膨張係数１７×１０^−６／℃）が使用されることが多い。半導体素子１よりも第一の電極３の線膨張係数が大きいために、第一の電極３の方が大きく収縮する。そのため、半導体素子１は、図３（ａ）に示す矢印の方向へ反ろうとする。

また、図３（ｂ）は、半導体素子１に加わる応力のうち、第二の電極５の方向へ加わる応力を説明する図である。
第一の電極３と同様に、第二の電極５の材料にはＣｕ（線膨張係数１７×１０^−６／℃）が使用されることが多い。そのため、半導体素子１は、図３（ｂ）に示す矢印の方向へ反ろうとする。

そして、図３（ｃ）は、半導体素子１に加わる応力を説明する図である。
前記のように、半導体素子１には、図３（ａ）（ｂ）に示す矢印の方向へ反ろうとするので、図３（ｃ）に示す矢印のように、半導体素子１上面では上方向の力が加わり、半導体素子１下面では下方向の力が加わることになる。そのため、これらの力が大きいと、半導体素子１が水平方向へ割れるおそれが出てくる。

図２に戻って、実施形態１の半導体装置１０のはんだ付けの工程を説明する。図２（ｂ）は、実施形態１の半導体装置１０のはんだ付けの工程を説明する図である。
比較例の半導体装置と同様に、実施形態１の半導体装置１０でも、図示しない治具により、積層した半導体素子１、第一の電極３、第二の電極５、第一の接合材２、第二の接合材４、第三の接合材７および緩衝部材８の軸を合わせ、高温にて一括ではんだ付けを行った後、室温に戻している。

この場合に、各部材に加わる応力を、図４を参照して説明する。
図４は、実施形態１の半導体装置１０のはんだ付けの工程において、各部材に加わる応力を説明する図である。

図４（ａ）（ｂ）は、図３（ａ）（ｂ）と同様である。比較例の半導体装置と異なり、実施形態１の半導体装置１０は、第二の電極５に対して半導体素子１の反対側に、第三の接合材７を介して緩衝部材８および第二の電極５が接合されている。

図４（ｃ）は、緩衝部材８に加わる応力を説明する図である。
緩衝部材８の材料には、第二の電極５よりも線膨張係数の小さいものを使用すると、室温に冷却する際に、第二の電極５の方が大きく収縮する。そのため、緩衝部材８は、図４（ｃ）に示す矢印の方向へ反ろうとする。

そして、図４（ｄ）は、半導体素子１に加わる応力を説明する図である。
前記のように、半導体素子１は図４（ｂ）に示す矢印の方向へ反ろうとし、緩衝部材８は図４（ｃ）に示す矢印の方向へ反ろうとする。これらは反る向きが逆となるため、図４（ｄ）に示す矢印のように、半導体素子１上面を上方向に引っ張る力が低減する。

（実施形態１のまとめ）
実施形態１では、第二の電極５よりも線膨張係数の小さい緩衝部材８を、第二の電極５に対して半導体素子１の反対側に、第二の電極５と接合させることにより、半導体素子１に加わる応力を低減することが可能となる。
また、第二の電極５および緩衝部材８が接合する面積が大きいため、局所的に電極を拘束するよりも、半導体素子１に加わる応力を低減する効果は大きくなる。

さらに、実施形態１では、緩衝部材８を、第二の電極５に対して半導体素子１の反対側に、第二の電極５を配置することにより、半導体素子１から発生した熱が、第一の電極３および第二の電極５へと広がることを妨げない。そのため、半導体装置１０の熱抵抗を増大させることなく、半導体素子１に加わる応力を低減することが可能となる。

これらの効果は、製造工程に限らず、エポキシ樹脂６で封止後に温度振幅が加わった場合でも維持されることは言うまでもない。
また、エポキシ樹脂６で封止することにより、第一の接合材２、第二の接合材４および第三の接合材７の熱ひずみを抑制することが可能となる。そのため、半導体装置１０の長期信頼性も確保することが可能となる。
また、第三の接合材７は、第一の接合材２および／または第二の接合材４と同一の物質である必要はない。第三の接合材７が硬いはんだほど、緩衝部材８による第二の電極５の拘束が強まるので、半導体素子１に加わる応力を低減する効果が増大する。

なお、図１では、半導体素子１および第二の電極５の形状を円としているが、それぞれが四角形や六角形等の角部を有し、互いに異なる形状であっても、同様の効果が得られる。

＜実施形態２＞
次に、実施形態２の半導体装置１０の構造を説明する。実施形態１と異なり、実施形態２の半導体装置１０は、半導体素子１が、四角形や六角形等の角部を有する構造である。

図５は、実施形態２の半導体装置１０の構造を説明する図である。図５（ａ）は、実施形態２の半導体装置１０（四角形）の平面図である。図５（ｂ）は、実施形態２の半導体装置１０（六角形）の平面図である。なお、Ａ−Ａ断面図は、図１（ａ）と同様である。また、エポキシ樹脂６の図示は省略されている。

角部を有する構造の場合、半導体素子１に加わる応力は、半導体素子１の角部に集中する。そのため、当該角部よりき裂が発生・進展する。したがって、当該角部を保護することが、半導体装置１０の信頼性を確保するために重要である。

図５（ａ）（ｂ）に示すように、実施形態２の半導体装置１０は、緩衝部材８が第二の電極５の全面ではなく、第二の電極の端子部５ａを中心として角部の方向へ放射状に配置されている。これにより、緩衝部材８の使用量が低減されるので、低コストでも半導体素子１に加わる応力を低減することが可能となる。

また、緩衝部材８の内径が、第二の電極の端子部５ａの径と同一となっている。これにより、緩衝部材８および第二の電極５の位置決めが容易にできるので、生産性の向上にも資することとなる。

＜実施形態３＞
次に、実施形態３の半導体装置１０の構造を説明する。実施形態１と異なり、実施形態３の半導体装置１０は、緩衝部材８の径が、第二の電極５の径よりも小さい構造である。

前記のように、緩衝部材８よりも第二の電極５の線膨張係数が大きいために、冷却により、第二の電極５の方が半導体装置１０の中心方向へ大きく収縮する。そのため、第二の電極５側面のエポキシ樹脂６２の方が、緩衝部材８側面のエポキシ樹脂６８よりも収縮する。そして、第二の電極５およびエポキシ樹脂６２の界面において、引張応力が発生する。これにより、エポキシ樹脂６がはく離することがある。

図６に示すように、実施形態３の半導体装置１０は、緩衝部材８の径が第二の電極５の径よりも小さい構造である。換言すれば、緩衝部材８は、第二の電極５（第二の電極の端子部５ａを除く）の投影面の内側に配置されている。これにより、冷却時の緩衝部材８の径および第二の電極５の径の差が小さくなる。それに伴い、エポキシ樹脂６２およびエポキシ樹脂６８の収縮量の差が小さくなり、エポキシ樹脂６２およびエポキシ樹脂６８の界面に発生する引張応力が低減される。

このように、実施形態３の半導体装置１０は、緩衝部材８の径を第二の電極５の径よりも小さくすることで、エポキシ樹脂６に加わる応力を低減し、エポキシ樹脂６がはく離することを低減することが可能となる。

＜実施形態４＞
次に、実施形態４の半導体装置１０の構造を説明する。実施形態１と異なり、実施形態４の半導体装置１０は、半導体素子１等の各部材側面にパッシベーション用の第二の樹脂９を有する構造である。

前記のように、各構成部材の線膨張係数の差により、各部材側面およびエポキシ樹脂６の界面において、エポキシ樹脂６がはく離することがある。
図７に示すように、実施形態４の半導体装置１０は、半導体素子１等の各部材側面にパッシベーション用の第二の樹脂９を有する構造である。第二の樹脂９には、エポキシ樹脂６と接着性の良い材料を使用するのが好ましい。第二の樹脂９を有することにより、実施形態４の半導体装置１０は、半導体素子１等の各部材とエポキシ樹脂６とが、より強固に接着される。

このように、実施形態４の半導体装置１０は、エポキシ樹脂６と接着性の良い第二の樹脂９を有することで、エポキシ樹脂６がはく離することを低減することが可能となる。
（まとめ）
本実施形態の半導体装置１０は、第二の電極５よりも線膨張係数の小さい緩衝部材８を、第二の電極５に対して半導体素子１の反対側に、第二の電極５と接合させることにより、半導体素子１に加わる応力を低減することが可能となる。

（その他）
なお、前記した実施形態は、本発明を実施するための好適なものであるが、その実施形式はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々変更することが可能である。例えば、図１に示すように、第二の電極５および緩衝部材８を全面で接合させるのではなく、一部のみで接合させる構造としてもよい。また、図５に示すように、半導体素子１の角部等に緩衝部材８を配置（接合）するのではなく、別の箇所に配置する構造としてもよい。

１ 半導体素子
２ 第一の接合材
３ 第一の電極
４ 第二の接合材
５ 第二の電極
６ エポキシ樹脂（第一の樹脂）
７ 第三の接合材
８ 緩衝部材
９ 第二の樹脂
１０ 半導体装置

Claims (5)

1. 半導体素子と、
   第一の接合材を介して前記半導体素子と接合される、導電性を有する第一の電極と、
   前記半導体素子に対して前記第一の電極の反対側に、第二の接合材を介して前記半導体素子と接合される、導電性を有する第二の電極と、
   前記第二の電極に対して前記半導体素子の反対側に、第三の接合材を介して前記第二の電極と接合される、前記第二の電極よりも線膨張係数の小さい緩衝部材と、
   これらを封止する第一の樹脂と、を有すること
   を特徴とする半導体装置。
2. 前記緩衝部材は、前記第二の電極の投影面に配置されること
   を特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記半導体素子は、角部を有し、
   前記緩衝部材は、前記半導体素子の角部に配置されること
   を特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
4. 前記緩衝部材は、前記第二の電極の投影面の内側に配置されること
   を特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
5. 前記半導体装置は、
   前記半導体素子の側面に配置される第二の樹脂を有すること
   を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置。

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