JP2014090149A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】治具による押圧時の曲げ変形を低減することにより圧入時の半導体素子に発生する応力を緩和した半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体素子１と、半導体素子１の第１の主面１ａに接合材２を介して接合した第１の電極３と、半導体素子１の第２の主面１ｂに接合材４を介して接合した第２の電極５と、半導体素子１および第２の電極５を第１の電極上３に封止する絶縁材６を備え、第１の電極３の半導体素子１と接合しない面である底面の外周部に、底面中央部３ａより窪んだ凹部３ｂを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法にかかり、特に素子にかかる応力を低減することのできる半導体装置およびその製造方法に関する。

車両用回転発電機の交流出力の整流用に用いられる半導体装置は、半導体素子、第１の電極、第２の電極、およびこれらを接合するはんだ層を備え、前記半導体素子の周辺は絶縁性の封止材で被覆されている。

また、はんだの熱疲労寿命を向上させるため、必要に応じて、半導体素子と電極の間に半導体素子と電極の中間の線膨脹係数を持つ緩衝板を挿入することもある。

半導体装置を車両用回転発電機へ実装する際には、第１の電極の半導体素子が搭載されていない面を押圧治具により押圧し、車両用回転発電機の放熱体に形成された嵌合孔に圧入する方法が広く用いられている（特許文献１）。

この方法は、半導体装置を接合材を介して回転発電機へ実装する方式と比較して、部材の点数および工程数を低減できるため低コスト化を図ることができる。

しかし、嵌合孔へ強制的に第１の電極を圧入する際には、第１の電極に対して、嵌合孔の内面から面圧（圧縮力）が加わるため、圧入時には、第１の電極が曲げ変形する。この曲げ変形に伴い、半導体素子には引張応力が働く。このため、圧入時に半導体素子に生じる応力を、半導体素子強度に比して十分に低減し、半導体装置の信頼性を向上することが肝要である。

また、半導体装置を構成する半導体素子が発熱した場合、発生した熱は、第１の電極を通じて、放熱体へと放出される。このため、例えば、逆サージ電圧が半導体素子に印加されたときの半導体素子の温度上昇量を十分に低減するためには、第１の電極に十分な熱容量が求められる。

特許文献１では、押圧時に、第１の電極の曲げ変形を低減して、半導体素子に生じる応力を低減するため、車両用回転発電機の放熱体の硬度よりも、第１の電極の硬度を高くしている。

また、特許文献２では、第１の電極に対し、外周部から中心部に向かって連続的に湾曲して、下方（半導体素子を配置する面の反対側面）に突出する凸曲面を形成することにより、放熱体から圧縮力を低下させている。

また、特許文献３では、第１の電極の底面に一定の直径を有する環状の溝部を形成することにより、第１の電極の熱容量を確保しつつ、放熱体からの圧縮力を吸収している。

特開２００２−２６１２１０号公報 特開２００４−２９６５９５号公報 特開２００７−２４２８９８号公報

前述したように、嵌合孔へ強制的に第１の電極を圧入する際には、第１の電極に対して、嵌合孔の内面から面圧（圧縮力）が加わるため、圧入時に第１の電極が曲げ変形する。この曲げ変形に伴い、半導体素子には引張応力が働く。

また、第１の電極を放熱体に圧入する際には、治具により第１の電極の底面が押圧される。すなわち、治具の押圧による曲げ変形が第１の電極に生じる。

このように、半導体素子には、放熱体からの圧縮力による曲げ応力と治具の押圧力による曲げ応力の双方が印加される。

すなわち、圧入時に半導体素子に生じる応力を、半導体素子強度に比して十分に低減し、半導体装置の信頼性を向上するには、放熱体からの圧縮力による曲げ応力のほかに治具の押圧力による曲げ応力も低減して、圧入時に半導体素子に印加される応力を低減することが重要である。

本発明は、このような問題点に鑑みて成されたもので、半導体素子に印加される応力を低減して、信頼性の高い半導体装置を得るものである。

本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。

半導体素子と、該半導体素子の第１の主面に接合材を介して接合した第１の電極と、前記半導体素子の第２の主面に接合材を介して接合した第２の電極と、前記半導体素子および第２の電極を第１の電極上に封止する絶縁材を備え、第１の電極の前記半導体素子接合しない面である底面の外周部に、底面中央部より窪んだ凹部を備えた。

本発明は、以上の構成を備えるため、半導体素子に印加される応力を低減して、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。

第１の実施形態にかかる半導体装置を説明する断面図である。 比較例を説明する図である。 第１の電極の曲げ変形を説明する図である。 本実施形態による効果を数値解析した結果を示す図である。 半導体素子の側面の拡大図である。 第１の電極の底面の断面形状を説明する図である。 パツシベーシヨン用の第２の樹脂を配置した例を示す図である。 本実施形態による効果の数値解析結果を示す図である。

以下、実施形態を添付図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態にかかる半導体装置を説明する断面図であり、図１（ａ）は半導体装置の本体部分を示す図、図１（ｂ）は本体１０の放熱体７への圧入過程を説明する図である。

半導体装置の本体１０は、半導体素子（ダイオード）１の第１の主面１ａに接合材２を介して接合された第１の電極３を有している。第１の電極３の底面外周部には、鍛造あるいはプレス成形などにより形成された凹部（電極３の底面中央部３ａよりも窪んだ領域）３ｂを有している。

凹部３ｂの底部には、半導体素子１と平行な水平面３ｃが形成されていることが望ましい。また、半導体装置の本体は、第１の主面１ａと反対側にある第２の主面１ｂに、接合材４を介して接合された第２の電極５を有している。また、第１の電極、第２の電極、および半導体素子は樹脂６により封止されている。

第１の電極３は、例えば軸対称であり、電極材料としては、放熱性に優れた銅系の金属が望ましく、特に第１の電極３は、ジルコニウムなどを含む銅合金であることが望ましい。また、樹脂６の材料としては、エポキシ樹脂が望ましい。

図１（ｂ）に示すように、半導体装置の組み立てに際しては、押圧治具８により半導体装置の本体１０を放熱体７の嵌合孔に圧入する。押圧治具８の上面には、中央部８ａよりも突出した凸部８ｂが軸対称に設けられている。凸部８ｂには、中央部８ａに形成された面と平行な水平面８ｃが形成されていることが望ましい。押圧治具のよる本体１０の圧入時には、押圧治具の中央部８ａが、第１の電極の底面の中央部３ａに接することなく、凸部８ｂの上面８ｃのみが、第１の電極の凹部３ｂの面３ｃに接して、これを押圧することが望ましい。

このように第１の電極に形成した水平面３ｃに当接するように押圧治具の水平面８ｃを設けているため、確実な押圧が可能となる。押圧荷重は、第１の電極３の底面外周部に集中するため、第１の電極３の底面外周部には圧痕が形成されることがある。

図２は、比較例を説明する図である。この例においては、第１の電極３の底面は全面が半導体素子１と平行に形成されている。また、押圧治具８の押圧面は平坦であり、凸部は形成されていない。このため、押圧治具８と第１の電極３は全面において接している。

また、第１の電極３の底面の直径は、放熱体７に形成した嵌合孔の直径よりも大きいため、圧入完了後は第１の電極３に圧縮力Ｐが働く。また、第１の電極３の底面中央部３ａは、押圧治具８により押圧され、押圧力Ｆが加わる。このため、図中の矢印で示すように、第１の電極３は上に凸に曲げ変形をする。

第１の電極３の曲げ変形により、半導体素子１の側面１ｃの下端部は、矢印の向きに変形する。一方、半導体素子１の側面ｌｃの上端部は、曲げ変形の小さい第２の電極５により拘束される。このため、半導体素子１の側面１ｃには引張応力が発生する。

図３（ａ）は、半導体装置の本体（凹部３ｂを備えない）を本発明の治具を用いて押圧したときの第１の電極の曲げ変形を説明する図である。

放熱体７からの圧縮力Ｐに関しては、図２に示す比較例と変わるところがない。すなわち、押圧に際して、押圧治具の中央部８ａは、第１の電極底面の中央部３ａに当接させることなく、押圧治具の凸部８ｂにより、第１の電極の底面外周部を押圧することができる。このため、押圧力Ｆは、第１の電極３の底面中央３ａに加わることはない。

このため、第１の電極３の曲げ変形は、図２に示す例よりも低減することができ、半導体素子１の側面１ｃに生じる応力も低減することができる。

図３（ｂ）は、半導体装置の本体（凹部３ｂを備える）を本発明の治具を用いて押圧したときの第１の電極の曲げ変形を説明する図である。

放熱体７からの圧縮力Ｐに関しては、図２に示す例と変わるところはない。また、押圧治具の中央部８ａは、第１の電極の底面の中央部３ａに接していない。

押圧治具８は凸部８ｂ上の面８ｃにより、第１の電極の底面外周部に設けられた凹部３ｂの面３ｃを押圧しているため、押圧力Ｆは、第１の電極３の底面中央３ａに加わることはない。すなわち、押圧に際して、押圧治具の中央部８ａは、第１の電極底面の中央部３ａに当接させることなく、押圧治具の凸部８ｂにより、第１の電極の底面外周部を押圧することができる。このため、押圧力Ｆは、第１の電極３の底面中央３ａに加わることはない。

また、凹部３ｂを設けているため、押圧力Ｆによる第１の電極３の底面の曲げ変形は、底面中央３ａまで伝達し難くなる。このため、第１の電極３全体の曲げ変形は低減され、半導体素子１の側面１ｃに生じる応力はより一層低減される。

また、本実施形態では、第１の電極の底面外周部に凹部３ｂを設け、押圧治具には凸部８ｂを設けているため、この凹凸を利用して、第１の電極３の軸と、押圧治具８の軸を位置決めすることが可能となり、両軸が偏心した状態での押圧を回避することができる。

また、本実施形態では、底面外周部に凹部３ｂを形成するだけあるため、第１の電極３の体積を大きく減らすことはなく、十分な熱容量が確保できる。また、凹部３ｂは半導体素子１から放熱体７への放熱をほとんど妨げないので、熱抵抗も大きくならない。

図４は、本実施形態による効果を数値解析した結果を示す図であり、図２に示す比較例を用いた圧入時に発生する応力により、本実施形態による圧入時の応力を規格化している。

図４の棒グラフ（ｂ）に示すように、本発明の押圧方法（凸部付きの押圧治具）を比較例の半導体装置（凹部なしの第１の電極）に適用したとき、圧入時の応力を約４０％低減することができる（押圧部分８ｂの幅をｗ、第１の電極３底面の直径Ｄを、半導体素子の対角長をＤｐとしたとき、２Ｗ／（Ｄ−Ｄｐ）＝０．４の場合）。

更に、本発明の押圧方法（凸部付きの押圧治具）を本発明の半導体装置（凹部付きの第１の電極）に適用したとき、圧入時の応力を約６５％低減することができる（凹部３ｂの幅をｗ、高さをｈ、第１の電極３底面の直径をＤ、高さをＨ、半導体素子の対角長をＤ１としたとき、２Ｗ／（Ｄ−Ｄｐ）＝０．４、ｈ／Ｈ＝０．１７の場合）。

図５は、半導体装置に用いる半導体素子１の側面１ｃの拡大図である。車両用回転発電機に用いる整流用の半導体素子１には、図５（ａ）に示すように、半導体素子の側面１ｃが、半導体素子の主面１ａ、１ｂと直交するものと、図５（ｂ）に示すように、半導体素子１の側面ｌｃの厚み方向中間部に厚み方向両端部よりも窪んだ領域を持つものがあるが、本発明はいずれに対しても有効である。

また、第１の電極３の底面の断面形状は、図１に示す実施の形状に限定されるものではなく、第１の電極３の底面外周部を押圧するという本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々、変更可能である。例えば、図６（ａ）に示すように、第１の電極３の凹部３ｂの半径方向高さがｈｌ＜ｈ２と異なっていてもよい。この場合、ｈ２を高くとることにより、押圧時の第１の電極３底面中央部ａへの力の伝達を低減しつつ、ｈｌを小さくすることで、放熱体７との接触面積を増やして、放熱性を挙げることができる。また、凹部３ｂの形成を容易にするため、図６（ｂ）、図６（ｃ）に示すように、凹部３ｂにＲ（丸み）あるいはテーパをつけてもよい。この場合、押圧治具８の形状を、第１の電極３の底面形状に合うように変化させる。

図７は、半導体素子１の側面と封止樹脂６の間に、パツシベーシヨン（Passivation）用の第２の樹脂９を配置した例を示す図である。この例では、半導体素子１と封止樹脂６との間に接着性の良い第２の樹脂９を配置することで、樹脂はく離をより防止できるため、信頼性をさらに向上する効果がある。

図８は、本実施形態による効果の数値解析結果を示す図である。ここでは、第１の電極３の凹部３ｂと、押圧治具８ｂの幅をｗ、凹部３ｂ高さをｈ、第１の電極３底面の直径を、Ｄ、高さをＨ、半導体素子の対角長をＤｐとする。図８の横軸は２ｗ／（Ｄ−Ｄｐ）であり、縦軸は、半導体装置の従来技術による圧入時に半導体素子１に発生する応力により、本実施形態による圧入時の応力を規格化している。なお、ｈ／Ｈ＝０の結果は、本実施形態による押圧方法を従来技術の半導体装置に適用した場合に相当している。

図８から、本実施形態による押圧方法を比較例の半導体装置に適用した場合よりも、本実施形態による押圧方法を本実施形態による半導体装置に適用した方が、圧入時の応力が低減可能であることが分かる。また、本実施形態による半導体装置においては、凹部３ｂが深いほど（ｈ／Ｈが大きいほど）、圧入時の応力が低減可能であることが分かる。

これは、凹部３ｂが深いほど、押圧力Ｆによる第１の電極３の底面の曲げ変形が、底面中央３ａまで伝達し難くなるためである。また、凹部３ｂの深さにかかわらず、２ｗ／（Ｄ−Ｄｐ）がおおよそ１になると、効果は、ほぼなくなることが確認できる。これは、凹部３ｂの幅ｗが大きくなり押圧力Ｆの作用線上に半導体素子１の側面１ｃがくると、第１の電極３の曲げ変形が、従来構造と大差なくなるためである。よって、応力低減の観点から、第１の電極３の凹部３ｂの幅は、ｗ＜（Ｄ−Ｄｐ）／２が望ましい。また、凹部３ｂの高さｈが大きくなると、第１の電極３の熱容量が低下するため、ｈ／Ｈは０．５以下であることが望ましい。なお、本数値解析結果は、図８に示す第１の電極３の底面形状に限定されず、凹部３ｂは図６に示す形状でも適用できる。この場合は、凹部３ｂと押圧治具との接触している部分の幅をｗ、凹部３ｂの最深部高さをｈと考えればよい。

以上説明したように、本実施形態によれば、第１の電極の底面中央部を押圧治具で押圧しないため、第１の電極の曲げ変形を抑制することができる。また、前記第１の電極の底面外周部に凹部を形成しているため、押圧治具の押圧力による第１の電極の底面の曲げ変形は、底面中央部まで伝達し難くなり、第１の電極全体の曲げ変形を低減できる。このため、圧入時に前記半導体素子に印加される応力を緩和することができ、圧入時の信頼性を向上することができる。また、前記第１の電極に対しては、その底面外周部に凹部を形成するのみであるので、第１の電極の体積を大きく減らすことがないため、十分な熱容量を確保することができる
このように、本実施形態によれば、治具による押圧時の曲げ変形を低減することにより圧入時の半導体素子に発生する応力を緩和することが可能で、かつ十分な熱容量を確保することができる。すなわち、高い放熱性を維持しつつ、圧入時の信頼性向上を図ることができる半導体装置を得ることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…半導体素子、１ａ…半導体素子の第１の主面、１ｂ…半導体素子の第２の主面、１ｃ…半導体素子の側面、２…第１の接合材、３…第１の電極、３ａ…第１の電極底面中央部、３ｂ…第１の電極凹部、３ｃ…第１の電極凹部に形成された水平面、４…第２の接合材、５…第２の電極、６…封止樹脂、７…放熱体、８…押圧治具、８ａ…押圧治具上面、８ｂ…押圧治具凸部、８ｃ…押圧治具凸部に形成された水平面、９…パツシベーシヨン用の第２の樹脂

Claims (7)

1. 半導体素子と、
   該半導体素子の第１の主面に接合材を介して接合した第１の電極と、
   前記半導体素子の第２の主面に接合材を介して接合した第２の電極と、
   前記半導体素子および第２の電極を第１の電極上に封止する絶縁材を備え、
   第１の電極の前記半導体素子接合しない面である底面の外周部に、底面中央部より窪んだ凹部を備えたことを特徴とする半導体装置。
2. 半導体素子と、
   該半導体素子の第１の主面に接合材を介して接合した第１の電極と、
   前記半導体素子の第２の主面に接合材を介して接合した第２の電極と、
   前記半導体素子および第２の電極を第１の電極上に封止する絶縁材を備え、
   第１の電極の側壁を放熱体に形成した嵌合孔に圧入して放熱する半導体装置において、
   第１の電極の前記半導体素子接合しない面である底面の外周部に、底面中央部より窪んだ凹部を備えたことを特徴とする半導体装置。
3. 請求項１または２記載の半導体装置において、前記凹部の底面は第１の電極の底面に平行であることを特徴とする半導体装置。
4. 請求項１または２記載の半導体装置において、半導体素子の側面にパッシベーション膜を備えたことを特徴とする半導体装置。
5. 請求項１または２記載の半導体装置において
   第１の電極に形成した凹部の幅をｗ、高さをｈ、第１の電極の底面の直径をＤ、高さをＨ半導体素子の対角長Ｄｐとするとき、ｗ≦（Ｄ−Ｄｐ）／２、かつｈ／Ｈ≦０．５であることを特徴とする半導体装置。
6. 半導体素子と、
   該半導体素子の第１の主面に接合材を介して接合した第１の電極と、
   前記半導体の第２の主面に接合材を介して接合した第２の電極と、
   前記半導体素子および第２の電極を第１の電極上に封止する絶縁材を備え、
   第１の電極の側壁を放熱体に形成した嵌合孔に圧入して放熱する半導体装置の製造方法において、
   第１の電極は、その底面の外周部に、底面中央部より窪んだ凹部を備え、該凹部の底面にのみ当接する治具を介して第１の電極を放熱体に圧入することを特徴とする半導体装置の製造方法。
7. 請求項６記載の半導体装置において、
   第１の電極に形成した凹部の幅をｗ、高さをｈ、第１の電極の底面の直径をＤ、高さをＨ半導体素子の対角長Ｄｐとするとき、ｗ≦（Ｄ−Ｄｐ）／２、かつｈ／Ｈ≦０．５であることを特徴とする半導体装置の製造方法。