JP2013135022A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱板とモールド樹脂との間の剥離の発生を適切に防止することができる半導体装置を提供すること。
【解決手段】本発明による半導体装置１は、正面及び背面を有する複数の半導体素子２と、複数の半導体素子２の正面側に位置して半導体素子２の熱を放熱する正面側放熱板３と、複数の半導体素子２の背面側に位置して熱を放熱する背面側放熱板４と、を含む半導体装置１であって、正面側放熱板３の正面と背面側放熱板４の背面を除いて半導体装置１を覆う封止材を含み、正面側放熱板３の背面と背面側放熱板４の正面は、複数の半導体素子２の間に位置する凸部３ａ、４ａを有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば乗用車、トラック、バス等の車両や家庭用機器又は産業用機器に適用されて好適な半導体装置に関する。

ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＩＰＭ（Intelligent Power Module）等のスイッチング素子つまり半導体素子が実装される半導体装置においては、半導体素子は発熱部品となり、効果的な冷却が要求される。

このような発熱部品から発生する熱を正面側及び背面側においてヒートスプレッダー（ヒートシンクとも言う）等の放熱板により適宜冷却するための技術として、例えば特許文献１に記載されているような技術がある。正面側と背面側の一対の放熱板及び半導体素子は、組み合わされた後、熱硬化性の樹脂によりモールドされてモジュールつまり、半導体装置とされる。

特開２００３−１２４４０６号公報

ところで、前述した樹脂と放熱板、半導体素子との間においては、熱膨張係数の差が大きく、モールド時の硬化収縮に伴って放熱板とモールド樹脂との間に剥離が発生しやすい。従来技術ではこの剥離を防止するため、放熱板のモールド樹脂つまり封止材との密着領域にプライマを塗布することが行われているが、特に複数の半導体素子を実装する場合に半導体素子間において適切な膜厚を確保できず適切に剥離を防止することが難しいという問題がある。

本発明は、上記問題に鑑み、放熱板と封止材との間の剥離の発生を適切に防止することができる半導体装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明による半導体装置は、
正面及び背面を有する複数の半導体素子と、当該複数の半導体素子の正面側に位置して前記半導体素子の熱を放熱する正面側放熱板と、前記複数の半導体素子の背面側に位置して前記熱を放熱する背面側放熱板と、を含む半導体装置であって、前記正面側放熱板の正面と前記背面側放熱板の背面を除いて前記半導体装置を覆う封止材を含み、前記正面側放熱板の背面と前記背面側放熱板の正面の少なくとも一方は、前記複数の半導体素子の間に位置する凸部を有することを特徴とする。

前記半導体装置において、前記正面側放熱板の正面と前記背面側放熱板の背面の少なくとも一方は前記凸部に対応する凹部を有することとしてもよく、正背方向において前記凸部の高さは前記凹部の高さよりも小さいこととしてもよく、前記凸部は前記複数の半導体素子が並列される並列方向に対して垂直な垂直方向に延在することとしてもよい。

前記半導体装置において、前記凸部は前記垂直方向に断続的に延在することとしてもよく、前記凸部は前記垂直方向に複数条延在することとしてもよく、前記凸部の始端と終端は前記正面側放熱板又は前記背面側放熱板の端部であることとしてもよく、前記凸部の始端と終端は前記垂直方向において前記半導体素子が側方に存在する領域に対応して設定されることとしてもよい。

本発明によれば、正面側放熱板及び背面側放熱板の面方向に対して封止材が硬化時に収縮しても、半導体素子と半導体素子の間に位置する正面側放熱板と背面側放熱板が凸部により正面側放熱板及び背面側放熱側と封止材との間に位置するプライマの膜厚を適切な値として確保することができる。このため、封止材と正面側放熱板及び背面側放熱板との間の接合性を高めて、正面側放熱板の背面側と封止材の正面側との間、及び、背面側放熱板の正面側と封止材の背面側との間の界面に剥離が発生することを防止することができる。

本発明に係る実施例１の半導体装置１の一実施形態についての外観を斜め上方から視て示す模式図である。 本発明の実施例１の半導体装置１の積層構造と凸部３ａ、４ａ及び凹部３ｂ、４ｂの形態について半導体素子２を含む断面にて示す模式図である。 本発明の実施例１の半導体装置１における凸部の効果についてプライマの膜厚とともに示す模式図である。 本発明の実施例１の半導体装置１の前提となる構造における面方向の応力発生態様と剥離の態様を示す模式図である。 本発明の実施例１の半導体装置１の面方向の応力低減効果を前提構造との比較に基づいて示す模式図である。 本発明の実施例２の半導体装置１の凸部及び凹部の形態について半導体素子２を含む断面にて示す模式図である。 本発明の実施例３の半導体装置１の凸部及び凹部の種々の形態について半導体素子を載置した背面側放熱板の正面視及び右方視にて示す模式図である。

以下、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しながら説明する。

本実施例１の半導体装置１は、図１に示すように、半導体装置１は、正面及び背面を有する二の四辺形状かつ平板状の半導体素子２と、二の半導体素子２の正面側に位置して半導体素子２の熱を放熱するヒートスプレッダー３（正面側放熱板）と、二の半導体素子２の背面側に位置して熱を放熱するヒートスプレッダー４（背面側放熱板）と、を含む半導体装置１であって、ヒートスプレッダー３の正面とヒートスプレッダー４の背面を除いて半導体装置１を覆う後述する封止材を含み、ヒートスプレッダー３の背面とヒートスプレッダー４の正面は、二の半導体素子２の間に位置する凸部３ａ、４ａを有する。

さらに本実施例１の半導体装置１は、ヒートスプレッダー３の正面とヒートスプレッダー４の背面は凸部３ａ、４ａにそれぞれ対応する凹部３ｂ、４ｂを有している。凸部３ａ、４ａ及び凹部３ｂ、４ｂは二の半導体素子２が並列される並列方向に対して垂直な垂直方向に延在することとしている。凸部３ａ、４ａ及び凹部３ｂ、４ｂの始端と終端はヒートスプレッダー３及びヒートスプレッダー４の端部である。

図１中の上側つまり正面側から視て、上述した二の半導体素子２は、背面側のヒートスプレッダー４の正面側に前後方向に並列されており、図１及び図１の半導体素子２の双方を含む断面である図２に示すように、半導体素子２の正面側には半導体素子２の正面とヒートスプレッダー３の背面との間隔を調節するスペーサ５が載置される。図２に示すように、半導体装置１は、主にそれらの外周側を封止材６にてモールド樹脂成形されて、直方体状に構成される。

本実施例のヒートスプレッダー３及びヒートスプレッダー４は、銅、アルミニウムなど、熱伝導性及び電気伝導性の高い平板状の母材を、例えばプレス加工により例えば長方形状の形態に打ち抜いて構成される。

このプレス加工において、ヒートスプレッダー３の凹部３ｂとヒートスプレッダー４の凹部４ｂは、図示しない方形状の型側凸部により押圧されて形成される。凹部３ｂと凹部４ｂの形成に伴い、母材が押圧方向側に移動してヒートスプレッダー３の凹部３ｂの反対側には凸部３ａが形成され、ヒートスプレッダー４の凹部４ｂの反対側には凸部４ａが形成される。

また、スペーサ５についても熱伝導性及び電気伝導性の高い平板状の例えば銅等の母材を、例えばプレス加工により例えば半導体素子２よりも小さい正方形状の形態に打ち抜いて構成される。

以下に半導体装置１の積層構造について図２を用いて詳細に説明する。図２に示すように、ヒートスプレッダー４の正面側と半導体素子２の背面との間は、下側半田層７を介して電気的、熱的に接続されている。半導体素子２の正面側とスペーサ５の背面は上側半田層８を介して電気的、熱的に接続されている。スペーサ５の正面とヒートスプレッダー３の背面側は第三半田層９を介して熱的に接続される。

下側半田層７、上側半田層８、第三半田層９は、それぞれフィレット状の半田を、半導体素子２とヒートスプレッダー４との間、スペーサ５と半導体素子２との間、ヒートスプレッダー３とスペーサ５との間に載置した状態で、上述した封止材６によるモールドに先立って、加熱することにより形成される。

なお、本実施例１の半導体装置１はこの加熱接合工程の後、モールドに先立って封止材６と密着し接合する部分に、封止材６を構成する樹脂との接合性を高めるため、図３に示すようにプライマ１０が塗布される。図３においては、図示の便宜上、正面側のヒートスプレッダー３を省略して、塗布後のプライマ１０の膜厚についてのみ拡大して示している。

ここで本実施例１の前提となる構造において封止材６とヒートスプレッダー３及びヒートスプレッダー４との界面における応力の発生する態様について図４を用いて説明する。
図４は、図１に示した本実施例１の半導体装置１から凸部３ａ、４ａ及び凹部３ｂ、４ｂを除外した前提構造を示す。

図４（ａ）は封止材６を構成する樹脂をヒートスプレッダー３とヒートスプレッダー４との隙間に充填した後、熱硬化させる段階を示している。この段階においては、樹脂の硬化反応がすすみ、化学的な架橋反応の進行に伴い体積が縮小される。この体積の縮小により、ヒートスプレッダー３の背面と樹脂との界面と、ヒートスプレッダー４の正面と樹脂との界面には図４（ａ）中矢印で示すように、接合面を剥離する方向の応力が作用する。

ここで図４に示した前提構造においては、プライマ１０の表面張力が強いことから、プライマ１０が半導体素子２側に引き寄せられて、ヒートスプレッダー４の正面又はヒートスプレッダー３の背面の二つの半導体素子２の間に位置する部分には、プライマ１０が集まりにくく膜厚を確保しにくい。

また図４に示した前提構造において半導体素子２は二つ並列されて含まれており、二つの半導体素子２の外側に位置する図４（ｂ）中の隙間αでは、半導体素子２及びブロック５により片持ち支持されるためヒートスプレッダー３、ヒートスプレッダー４はともに撓みやすく、樹脂の収縮に追従してヒートスプレッダー３、ヒートスプレッダー４がともに正背方向に接近する方向に撓むので剥離は発生しにくい。

これに対して隙間αと異なり二つの半導体素子２の内側に位置する図４（ｂ）中の隙間βでは、左右一対の半導体素子２及びブロック５により両持ち支持されるためヒートスプレッダー３、ヒートスプレッダー４はともに撓みにくく、樹脂の収縮に追従してヒートスプレッダー３、ヒートスプレッダー４がともに正背方向に接近する方向に撓まないので図４（ｃ）（ｄ）に示す形態の剥離γが発生しやすい。

本実施例１の半導体装置１では、凸部３ａ、４ａを樹脂に面する側に設けることで、図２に示す様に、ヒートスプレッダー３、４を樹脂により封止する前に塗布されるプライマ１０の有する表面張力を利用して凸部３ａ、４ａ側に集めることができ、プライマ１０の膜厚を図３中左右方向全般に亘って均等に分布させ、プライマ１０の膜厚を適切に確保することができる。これによってヒートスプレッダー３、４と封止材６との接合性を高め剥離の発生を防止することができる。

また本実施例１の半導体装置１においては、ヒートスプレッダー３に設けた凹部３ｂとヒートスプレッダー４に設けた凹部４ｂにより、図２中のヒートスプレッダー３、４の双方の半導体素子２の間に位置する部分δを撓ませることができる。つまり、封止材６を構成する樹脂が熱硬化により、正背方向においてヒートスプレッダー３、４から離隔する方向に圧縮されても、ヒートスプレッダー３、４の部分δもその分撓ませて封止材６との間に剥離が発生することを防止することができる。

なお二つの半導体素子２の図２中左右方向の距離をＬ（ｍｍ）とし、図２中部分δの界面における応力をＰ（ＭＰａ）とすると、距離Ｌと応力Ｐとは図５中実線に示すように逆比例の関係を示し、図２中破線で示す図４中の前提構造における半導体素子２の間の部分における応力と距離Ｌの関係に対して左方にオフセットされたものとなる。つまり、前提構造に比べて本実施例１の半導体装置１においては剥離防止上許容される応力に対して、距離Ｌをなるべく短くすることができ、半導体素子２の実装密度を高めて、装置全体の小型化を図ることもできる。

上述した実施例１の半導体装置１においては、正背方向における凸部３ａの高さと凹部３ｂの高さの関係、及び、凸部４ａと凹部４ｂとの高さの関係については特に限定しなかったが、これを規定することもできる。以下それについての実施例２について述べる。

図６に示すように、本実施例２の半導体装置１においては、ヒートスプレッダー４の凸部４ａの高さＡに対して、凹部４ｂの高さＢをＢ＞Ａの関係と満たすものとしている。図６中では図示を省略しているが、凸部３ａの高さと凹部３ｂの高さの関係も後者の方が大きいものとしている。この関係を満足させるにあたっては例えば、ヒートスプレッダー３及びヒートスプレッダー４の母材を上述した型側凸部により押圧した場合に、押圧方向に対して余肉が側方により逃げやすくなるよう、母材の材料を選定する。

実施例１にて述べたように、凸部によってプライマ１０を半導体素子２の間に集めるにあたっては、プライマ１０の有する表面張力により平板上に位置する障害物としての凸部にプライマ１０が吸い寄せられることを導けば十分であり、このプライマ１０を集める機能は凸部が凹部よりも小さくても確保できる。本実施例２によれば、凸部の高さをこの機能を確保する上で最低限のものとすることができる。

また、この関係を満たすことにより凸部によって剛性が高くなることを抑制し凹部についてはなるべく大きなものとして、二つの半導体素子２の間に位置する部分のヒートスプレッダー３及びヒートスプレッダー４の剛性を更に低下させて、樹脂の硬化時の収縮に対する追従性を高め、剥離の防止効果を高めることができる。

上述した実施例１、２においては凹部の形状は、二つの半導体素子２の並列方向に垂直な垂直方向から視て横長の長方形状であるものとし、凸部も、凹部の形状に準じる形態としているが、この形状は、前提構造において想定される図４（ｄ）に示した剥離の範囲に対応させてプライマ１０をどの程度集めるかと、ヒートスプレッダー３及びヒートスプレッダー４の剛性をどの程度低下させるかによって、又は、プレス加工上の都合等の事情により、適宜変更することができる。

例えば図７（ａ）で示すように、ヒートスプレッダー４の二つの半導体素子２が載置された正面から視た上方視Ｕと、右方視Ｒで視た場合、図７（ｂ）で示すように、凸部４ａ、凹部４ｂの形態を縦長の長方形状とすることもでき、図７（ｃ）で示すように、凸部４ａ、凹部４ｂをともに三角形状とすることもできる。

凸部４ａ及び凹部４ｂの垂直方向における延在形態についても、始端及び終端をヒートスプレッダー４の端部とする実施例１、２、図７（ｂ）（ｃ）の形態に換えて、図７（ｄ）に示すように、半導体素子２の垂直方向における始端と終端に合わせることもできる。さらに、始端から終端まで連続的に凸部４ａ、凹部４ｂを延在させることに換えて、図７（ｅ）に示すように、断続的に延在させることもできる。

つまり凸部４ａ及び凹部４ｂの始端と終端は垂直方向において二つの半導体素子２が側方に存在する領域に対応して設定される。図７（ｅ）に示す形態では、凸部４ａ及び凹部４ｂの垂直方向における延在のトータルの長さを図７（ｄ）に示した形態と同等とするため、凸部４ａ及び凹部４ｂの始端及び終端を、半導体素子２に対して垂直方向に突出させる形態としている。

凸部４ａ及び凹部４ｂの垂直方向における延在形態は以上述べたような一条としてもよいし、図７（ｆ）に示すように多数条としてもよく、この場合において、図７（ｇ）に示すように、始端及び終端をヒートスプレッダー４の端部に合わせることとしてもよい。以上述べたことはヒートスプレッダー３の凸部３ａ、凹部３ｂについても同様である。

上述した実施例では、凸部を樹脂に面する側に設けることで、ヒートスプレッダーを樹脂により封止する前に塗布されるプライマの膜厚を塗布対象となる全領域に亘って適切に確保しており、これによってヒートスプレッダーと封止材との接合性を高めて剥離を防止することができる。

また上述した実施例においては、封止材を構成する樹脂が硬化時に収縮することを予め考慮に入れて、ヒートスプレッダーに設けた凹部によりヒートスプレッダーの半導体素子の間に位置する部分を撓ませて、封止材がヒートスプレッダーの厚み方向にヒートスプレッダーから離隔する方向に熱硬化時の圧縮に追従させ、ヒートスプレッダーもその分撓ませて封止材との間における剥離を未然に防止することができる。

なお上述した実施例においては、正面側放熱板と背面側放熱板の双方が凸部を具備しているが、プライマの膜厚確保を片面のみで行えば剥離が防止できる場合には、一方のみが具備することとしてもよい。また上述した実施例では製作容易性の観点から、凸部を裏側に凹部を設けることにより構成したが、例えば、図７（ｄ）（ｅ）（ｆ）のカッコ内を除いて示すように、凹部を省略して凸部のみを設ける構成としてもよい。この場合も、凸部側から放熱板をプレス加工する等の工法により構成可能である。

以上本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、本発明は上述した実施例に制限されることなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形および置換を加えることができる。

本発明は、正面と背面の双方にヒートスプレッダーを具備した両面タイプの半導体装置に関するものであり、一のヒートスプレッダーに対応して二以上の半導体素子が並列されて配置される形態に適用されて好適なものである。

本発明は、半導体装置内の剥離を防止できることから半導体素子の電気的接続部分の接続性を確保し、製品としての信頼性、耐久性を高めることができるため、上述した特徴を有する種々の半導体関連装置に適用して有益なものである。もちろん、乗用車、トラック、バス等の様々な車両のインバータ等に適用される半導体モジュールに適用しても有益なものである。

１ 半導体装置
２ 半導体素子
３ ヒートスプレッダー（正面側放熱板）
３ａ 凸部
３ｂ 凹部
４ ヒートスプレッダー（背面側放熱板）
４ａ 凸部
４ｂ 凹部
５ スペーサ
６ 封止材
７ 下側半田層
８ 上側半田層
９ 第三半田層
１０ プライマ

Claims (8)

1. 正面及び背面を有する複数の半導体素子と、当該複数の半導体素子の正面側に位置して前記半導体素子の熱を放熱する正面側放熱板と、前記複数の半導体素子の背面側に位置して前記熱を放熱する背面側放熱板と、を含む半導体装置であって、前記正面側放熱板の正面と前記背面側放熱板の背面を除いて前記半導体装置を覆う封止材を含み、前記正面側放熱板の背面と前記背面側放熱板の正面の少なくとも一方は、前記複数の半導体素子の間に位置する凸部を有することを特徴とする半導体装置。
2. 前記正面側放熱板の正面と前記背面側放熱板の背面の少なくとも一方は前記凸部に対応する凹部を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 正背方向において前記凸部の高さは前記凹部の高さよりも小さいことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記凸部は前記複数の半導体素子が並列される並列方向に対して垂直な垂直方向に延在することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置。
5. 前記凸部は前記垂直方向に断続的に延在することを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
6. 前記凸部は前記垂直方向に複数条延在することを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
7. 前記凸部の始端と終端は前記正面側放熱板又は前記背面側放熱板の端部であることを特徴とする請求項４〜６のいずれか一項に記載の半導体装置。
8. 前記凸部の始端と終端は前記垂直方向において前記半導体素子が側方に存在する領域に対応して設定されることを特徴とする請求項４〜６のいずれか一項に記載の半導体装置。

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