JP2014093356A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】余剰の半田の面方向の広がり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半導体素子２、３と、半導体素子２、３の正面側に位置して半導体素子２、３の熱を放熱する正面側放熱板４と、半導体素子２、３の背面側に位置して熱を放熱する背面側放熱板５と、正面側放熱板４と半導体素子２、３の間に位置するブロック電極６２、６３（スペーサ）を含み、正面側放熱板４の背面にブロック電極６２、６３の正面の投影面の中央部から離れるほど中央部から正面側に離隔する傾斜部４２、４３を含むことを特徴とする。
【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やダイオード等の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及び高さ調整用のブロック体は、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２００７−１０３９０９号公報

ところで、前述した半導体装置においては、ブロック体と放熱板との間に多めの半田を載置した後、リフロー工程によりブロック体と放熱板とを接続し、公差バラツキの吸収を行う。その際、余剰の半田が放熱板の面方向に広がった後、ブロック体の側面に濡れ伝って半導体素子に至るおそれが生じる。このような半田の濡れ性による広がりを防止するため、放熱板に溝を設けることが開示されている。

ところが、放熱板にこのような溝を設けることは半導体素子毎に放熱板の溝を設ける必要があり、製造工程の複雑化と部品種別の増大を招く。すなわち、余剰の半田の不都合な広がりをより適切に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、余剰の半田の濡れ性による広がり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、放熱板の半導体素子が配置される領域に当該領域の中央部から離隔するにつれて当該中央部よりも前記放熱板の厚みを薄くする傾斜部を含むことを特徴とする。ここで、前記傾斜部は前記放熱板のプレス加工により構成されることとしてもよい。

また、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半導体素子と、当該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、前記正面側放熱板と前記半導体素子の間に位置するスペーサを含み、前記正面側放熱板の背面に当該スペーサの正面の投影面の中央部から離れるほど当該中央部から正面側に離隔する傾斜部を含むことを特徴とする。

ここで、前記正面側放熱板から背面側に突出する突部を含み、当該突部が前記傾斜部を形成することとしてもよい。さらに、前記突部の背面側から見た形状は方形状であることとしてもよく、前記突部の背面側から見た形状は円形状であることとしてもよい。また、前記正面側放熱板の背面に正面側に窪む溝部を設け、当該溝部の底面が前記傾斜部を形成することとしてもよい。

本発明によれば、放熱板と接続対象部品（スペーサ）相互間を公差吸収用の半田層で接続するにあたり、半田層を構成する半田がリフロー時に溶融される際、傾斜部により中央部から外側に行くにつれて接続対象部品と放熱板との間隔を広げることができる。このため本発明によれば、傾斜部の外縁部まで半田が広がって溜まりその後半田が接続対象部品（ブロック電極）の側面を伝って広がりにくくして、余剰の半田を所望する部位以外への溢れ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半導体素子２、３を含む断面にて模式図である。 実施例１の半導体装置１の正面側放熱板４の背面の突部４２、４３の設置態様を示す模式図である。 実施例１の半導体装置１の正面側放熱板４の突部４２、４３のプレス加工及び切削を用いた製造工程を示す模式図である。 実施例１の半導体装置１のリフロー時の公差吸収用の半田の挙動態様を示す模式図である。 従来の半導体装置１０１について半田拡散防止用の環状溝を含む断面にて示す模式図である。 実施例２の半導体装置１の正面側放熱板４の背面の突部４４、４５の設置態様を示す模式図である。 実施例２の半導体装置１の一実施形態についての半導体素子２、３を含む断面にて模式図である。 実施例３の半導体装置１の正面側放熱板４の背面の溝部４６の設置態様を示す模式図である。 実施例３の半導体装置１の一実施形態についての半導体素子２、３を含む断面にて模式図である。

以下、本発明を実施するための形態について、上述した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、３と、二の半導体素子２、３の正面側に位置して半導体素子２、３の熱を放熱するヒートスプレッダー４（正面側放熱板）と、二の半導体素子２、３の背面側に位置して熱を放熱するヒートスプレッダー５（背面側放熱板）と、を含む。ヒートスプレッダー４の背面は、二の半導体素子２、３にそれぞれ対応する突部４２、４３を有する。

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、３は、背面側のヒートスプレッダー５の正面側に左右方向に並列されており、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４の背面との間隔を調節するブロック電極６２（スペーサ）が載置される。同様に、半導体素子３の正面側には半導体素子３の正面とヒートスプレッダー４の背面との間隔を調節するブロック電極６３（スペーサ）が載置される。

さらに、半導体装置１は、ヒートスプレッダー４の正面とヒートスプレッダー５の背面を除いて半導体装置１をモールド樹脂成形により覆う封止材Ｍを含む。半導体装置１は、主にそれらの外周側を封止材Ｍにてモールド樹脂成形されて、直方体状に構成される。

突部４２、突部４３は、半導体素子２、３の位置に合わせて中央部の位置決めがなされる。実施例１においては、図２に示すように、突部４２、突部４３はともに底面が正方形の四角錐、つまり、ピラミッドの形態をなし、四角錐の頂点が中央部をなす。つまり突部４２、４３は背面視において正方形状をなす。

突部４２、４３の四角錐の頂点と底辺により構成される四の三角形は中央部から外側に向けて厚みが薄くなりかつ中央部から正面側に離隔する傾斜部を構成する。半導体素子２は半導体素子３よりも大きい形態を有するが、突部４２、突部４３は大きい方の半導体素子２に合わせて、同一の大きさを有している。

本実施例１のヒートスプレッダー４及びヒートスプレッダー５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、図３に示すように、ヒートスプレッダー４の突部４２、突部４３は、図示しない方形状の型側凸部により正面側を押圧されて形成される。突部４２と突部４３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４の突部４２、４３の反対側つまり正面側には凹部が形成されるが、この凹部は切削加工により除去される。なお、鋳造により突部４２、４３を形成してもよい。

また、ブロック電極６２、６３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、３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１を用いて詳細に説明する。図１に示すように、ヒートスプレッダー５の正面側と半導体素子２の背面との間は、下側半田層７２を介して電気的、熱的に接続されている。半導体素子２の正面側とブロック電極６２の背面は上側半田層８２を介して電気的、熱的に接続されている。ブロック電極６２の正面とヒートスプレッダー４の背面側は第三半田層９２を介して熱的に接続される。

下側半田層７２、上側半田層８２、第三半田層９２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５との間、ブロック電極６２と半導体素子２との間、ヒートスプレッダー４とブロック電極６２との間に載置した状態で、上述した封止材Ｍによるモールドに先立って、所定の高さ調整治具を用いたリフローにより加熱することにより形成される。

同様に、ヒートスプレッダー５の正面側と半導体素子３の背面との間は、下側半田層７３を介して電気的、熱的に接続されている。半導体素子３の正面側とブロック電極６３の背面は上側半田層８３を介して電気的、熱的に接続されている。ブロック電極６３の正面とヒートスプレッダー４の背面側は第三半田層９３を介して熱的に接続される。

下側半田層７３、上側半田層８３、第三半田層９３についても、それぞれフィレット状の半田を、半導体素子３とヒートスプレッダー５との間、ブロック電極６３と半導体素子３との間、ヒートスプレッダー４とブロック電極６３との間に載置した状態で、上述した封止材Ｍによるモールドに先立って、上述と同工程の所定の高さ調整治具を用いたリフローにより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Ｍと密着し接合する部分に、封止材Ｍを構成する樹脂との接合性を高めるため、図示しないプライマが塗布される。

上述した半田層のうち本実施例１において公差バラツキの吸収を行うのは第三半田層９２、９３である。この箇所においてはバラツキを考慮すると、公差が最大の場合においても放熱性を確保するために、（むかえ）はんだを多めに接合材として用いる必要がある。以下にリフロー時の溶融半田の広がりの態様を図４に示す第三半田層９２を用いて説明する。

図４においては図１中の上下関係を入れ替えて図示しており、下側にヒートスプレッダー４を図示している。ヒートスプレッダー４の背面側の突部４２に対してブロック電極６２の正面は平面であるので相互間の空間は中央から外側に向けて広がる形態をなす。リフロー時の加熱により半田が溶融すると、中央から外側に向けて半田は濡れ広がることとなり、傾斜部に沿ってブロック電極６２の正面からは離隔しながら外側に広がって、半田の外側縁部は外側の間隔の広い突部４２の縁部近傍に滞留することとなる。このため、溶融した半田がブロック電極６２の側面を濡れ伝って半導体素子２側に広がることを防止することができる。

ここで図５に示す従来の半導体装置１０１のヒートスプレッダー１０４が具備する環状溝１０４ａ、１０４ｂでは、半導体素子２、３の大きさに対応させて環状溝１０４ａ、１０４ｂの大きさも変更する必要があり、半導体素子毎に溝を切削又はプレス加工する必要が生じる。ところが、本実施例１では、突部４２、４３は半導体素子の種別に係わらず同じ大きさとすることができるので、ヒートスプレッダー４つまり放熱板の種別増大を防止することができる。また、突部４２、４３をプレス加工と切削加工により形成できるためヒートスプレッダー４つまり放熱板の製造工程の複雑化を招くこともない。

実施例１においては突部４２、４３を四角錐形態としたが、突部の形態はこの形態に限られるものではない。例えば図６に示す突部４４、４５のように背面視を円形状とし、図７に示すように、ブロック電極６２、６３に対向する面を部分球面状とする形態を採用することもできる。

これによっても突部４４、４５の部分球面が中央から外側に行くにつれて厚みが薄く正面側に離隔する傾斜部を構成して、実施例１の突部４２、４３と同様に中央から外側に溶融した半田が移動し易くし、かつ移動方向をブロック電極６２、６３から離隔する方向として、ブロック電極６２、６３の側面を濡れ伝って半導体素子２、３側に半田が移動することを防止できる。

また部分球面状の突部４４、４５も実施例１に示したようにプレス加工と切削加工により形成可能であり、半導体素子の種別に係わらず同じ大きさとできるため、放熱板の種別増大や製造工程の複雑化を防止できる。

突部４２、４３については、図８に示すような放射状に切削された溝部４６に置き換えることもできる。この溝部４６はヒートスプレッダー４の背面にそれぞれの半導体素子２、３に対応する中央から９０度毎に放射状に延びかつ底面４６ａが中央から外側に向かうにつれて深く窪むテーパ状の形態をなし、この溝部４６の底面４６ａが傾斜部を構成する。なお溝部４６の幅や周方向に設置数は第三半田層９２、９３に対応する半田の量の余剰に合わせて適宜設定する。

これによっても溝部４６のテーパ状の底面４６ａが中央から外側に行くにつれて厚みが薄く正面側に離隔する傾斜部を構成して、実施例１、２の突部４２、４３と同様に中央から外側に溶融半田が移動し易くし、かつ移動方向をブロック電極６２、６３から離隔する方向として、ブロック電極６２、６３の側面を濡れ伝って半導体素子２、３側に半田が移動することを防止できる。

また放射状の溝部４６も実施例１、２に示したようにプレス加工と切削加工により形成可能であり、半導体素子の種別に係わらず同じ大きさにできるため、放熱板の種別増大や製造工程の複雑化を防止できる。

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。

例えば実施例１又は２の突部と、実施例３の溝部はヒートスプレッダー４の背面に両方を形成して組み合わせることもできる。組み合わせる場合には例えば銅系統の母材をプレス加工して突部４２、４３又は突部４４、４５を形成した後、切削加工により溝部４６を放射状の形成することとしてもよい。

本発明は、リフロー工程により半導体素子と放熱板を接合する半導体装置に関するものであり、正面と背面の一方又は双方にヒートスプレッダーを具備した片面タイプ又は両面タイプのいずれにも適用可能で、特には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。

実施例において詳述したように本発明は、半導体装置内の放熱板とブロック電極との半田の接続にあたって溶融した半田が放熱板とブロック電極との隙間を中央から外側に広がった後、溶融半田の外縁部がブロック電極の側面に沿って濡れ広がることを防止できる。このため、本発明は半導体素子をリフロー時に確実に保護し、製品としての信頼性、耐久性を高めることができる。

従って本発明は、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 半導体素子
４ ヒートスプレッダー（正面側放熱板）
４２ 突部（四角錐）
４３ 突部（四角錐）
４４ 突部（部分球面）
４５ 突部（部分球面）
４６ 溝部
４６ａ 底面
５ ヒートスプレッダー（背面側放熱板）
６２ ブロック電極（スペーサ）
６３ ブロック電極（スペーサ）
Ｍ 封止材
７２ 下側半田層
８２ 上側半田層
９２ 第三半田層
７３ 下側半田層
８３ 上側半田層
９３ 第三半田層

Claims (7)

1. 放熱板の半導体素子が配置される領域に当該領域の中央部から離隔するにつれて当該中央部よりも前記放熱板の厚みを薄くする傾斜部を含むことを特徴とする半導体装置。
2. 前記傾斜部は前記放熱板のプレス加工により構成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. 正面及び背面を有する半導体素子と、当該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、前記正面側放熱板と前記半導体素子の間に位置するスペーサを含み、前記正面側放熱板の背面に当該スペーサの正面の投影面の中央部から離れるほど当該中央部から正面側に離隔する傾斜部を含むことを特徴とする半導体装置。
4. 前記正面側放熱板から背面側に突出する突部を含み、当該突部が前記傾斜部を形成することを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
5. 前記突部の背面側から見た形状は方形状であることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
6. 前記突部の背面側から見た形状は円形状であることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
7. 前記正面側放熱板の背面に正面側に窪む溝部を設け、当該溝部の底面が前記傾斜部を形成することを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。

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