JP2016092266A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁樹脂シートを剥離させる方向に働く冷却器の内部応力を減少させた半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置は、少なくとも１つの主面に放熱部材が接合された半導体素子を、放熱部材の一部を露出させて封止したパワーモジュールと、放熱部材の露出面を含むパワーモジュールの放熱領域面に、絶縁樹脂シートを介して接合された冷却器とを備える。冷却器は、放熱領域面内においてパワーモジュールと接合される中央部と、中央部の端部から外縁へ延びた側部とを含み、側部が中央部の端部を折り曲げ位置としてパワーモジュール側に曲がっている。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子と放熱部材とを封止したパワーモジュールと、当該半導体素子を冷却する冷却器とを備えた、半導体装置に関する。

例えば、特許文献１および２に半導体装置が記載されている。これらの特許文献に記載された半導体装置は、半導体素子と放熱部材（放熱板）とを封止してモールドパッケージ化されたパワーモジュールの外側に、放熱部材の一部が露出している。そして、半導体装置は、パワーモジュールの放熱部材が露出した箇所に、冷却器（ヒートシンク）が絶縁樹脂シートを介して接合された構造をしている。

特開２０１３−２１１９４２号公報 国際公開第２０１３／０９９５４５号

上記特許文献に記載された構造のような半導体装置では、パワーモジュール（モールドパッケージ）から露出した放熱部材の箇所と冷却器との接合を、例えばヒータープレス処理で行っている。このヒータープレス処理では、例えば図８（ａ）に示すように、絶縁樹脂シート１１４を挟んで、パワーモジュールの放熱部材１１３と冷却器１１５とを合わせ、この間に熱および圧力を加える。これにより、絶縁樹脂シート１１４が接着硬化し、放熱部材１１３と冷却器１１５とが接合される。

しかしながら、このヒータープレス処理の際、加圧によって冷却器１１５が受ける荷重が冷却器１１５の端部に集中してしまう現象が生じる。この冷却器１１５の端部に荷重が集中した状態でヒータープレス処理を行うと、図８（ｂ）に示すように、冷却器１１５の端部がパワーモジュール側（内側）に曲げられて内部応力を蓄積した状態で変形する。このため、ヒータープレス処理後の冷却器１１５には、内側に変形した形状を元に戻そうとする外側への内部応力が働くことになる（図８（ｂ）中の矢印）。また、加熱された冷却器１１５の温度低下によって生じる熱応力も、冷却器１１５を外側に反らせる方向に働く。従って、この冷却器１１５の内部応力および熱応力によって、絶縁樹脂シート１１４の端部が冷却器１１５から剥離するおそれがある。

本発明は、上記課題に鑑みて、絶縁樹脂シートの端部が冷却器から剥離するおそれを減少させた半導体装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の半導体装置は、少なくとも１つの主面に放熱部材が接合された半導体素子を、放熱部材の一部を露出させて封止したパワーモジュールと、放熱部材の露出面を含むパワーモジュールの放熱領域面に、絶縁樹脂シートを介して接合された冷却器とを備え、冷却器は、放熱領域面内においてパワーモジュールと接合される中央部と、中央部の端部から外縁へ延びた側部とを含み、側部が中央部の端部を折り曲げ位置としてパワーモジュール側に曲がっている、ことを特徴とする。

この本発明の半導体装置によれば、パワーモジュールには、曲げ加工が施された冷却器（例えば、ヒートシンクなど）が接合されている。冷却器は、放熱部材の露出面を含むパワーモジュールの放熱領域面内においてパワーモジュールと接合される中央部と、この中央部の端部から外縁へ延びた側部とを、含んでいる。冷却器の曲げは、側部が中央部の端部を折り曲げ位置としてパワーモジュール方向の内側に曲がるように施されている。この内側に曲げられた側部には、ヒータープレス処理においてパワーモジュールと冷却器とを接合する際、パワーモジュールの放熱領域面の外縁（モールドパッケージの角または面）による圧力がかかる。このため、冷却器の側部が、パワーモジュール方向とは反対の外側に押されて弾性変形する。この側部１５ｓが外側へ弾性変形した状態で絶縁樹脂シートを硬化させて、冷却器をパワーモジュールに接合すると、ヒータープレス処理後の冷却器には、内側に変形しようとする応力が常に働くことになる。この応力は、冷却器を絶縁樹脂シートへ押し付ける方向の力であるため、冷却器における絶縁樹脂シートを引き剥がす方向への応力が減少することになる。よって、本発明の半導体装置は、冷却器が有する応力（内部応力、熱応力など）によって絶縁樹脂シートの端部が剥離することを抑制できる（剥離耐久性の向上、冷熱耐久性の向上）。

以上述べたように、本発明の半導体装置によれば、絶縁樹脂シートの端部が絶縁樹脂シートから剥離するおそれを低減できる。

本発明の一実施形態に係る半導体装置１の全体構造の断面を示す概略図 半導体装置１を製造する手法の一例を説明する図 半導体装置１の変形例を説明する図 本発明に関わる参考例１の半導体装置２を説明する図 半導体装置２の変形例を説明する図 本発明に関わる参考例２の半導体装置３を説明する図 本発明に関わる参考例３の半導体装置４を説明する図 従来の半導体装置の一例を説明する断面図

以下、図面を参照しながら、本発明に係る半導体装置の実施形態について詳細に説明する。

本発明に係る半導体装置は、冷却器を特徴的な形状とすることによって、ヒータープレス処理後の冷却器における絶縁樹脂シートを剥離させる方向に働く内部応力を、減少させる。この形状により、本発明に係る半導体装置は、絶縁樹脂シートの端部が冷却器から剥離するおそれを低減できる。

図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置１の全体構造の断面を示す概略図である。図２は、本実施形態に係る半導体装置１を製造する手法の一例を説明する図である。

［半導体装置の全体構造］
図１（ａ）を参照する。本実施形態に係る半導体装置１は、半導体素子１０、リード端子１２、放熱板１３、絶縁樹脂シート１４、およびヒートシンク１５を備えている。この半導体装置１のうち半導体素子１０、リード端子１２、および放熱板１３の構成は、例えばエポキシ樹脂などの材料からなる樹脂部材１６によって封止されて、モールドパッケージ化されている。このモールドパッケージ化された構成部分を、パワーモジュール１７という。

半導体素子１０は、例えばパワートランジスタなどの、動作時に発熱する発熱性を持った電力用半導体素子である。半導体素子１０の一方の主面（図１では上面）の端子は、例えば半田などの接合部材１１ａによって、リード端子１２の一方端と電気的に接合されている。リード端子１２は、導電性を有する材料で構成されている。このリード端子１２の他方端は、樹脂部材１６からパワーモジュール１７（モールドパッケージ）の外部に突出している。この外部に突出したリード端子１２の他方端が、例えば外部回路基板（図示せず）と電気的に接続されることで、半導体素子１０に通電が行われる。半導体素子１０の他方の主面（図１では下面）は、例えば半田などの接合部材１１ｂによって、放熱板１３と接合されている。

放熱板１３は、例えば銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）などの熱伝導性に優れた材料で構成される、放熱部材である。この放熱板１３は、半導体素子１０で発生した熱をヒートシンク１５に逃がす、いわゆるヒートスプレッダーとしての役割を有する。放熱板１３の半導体素子１０が接合されていない面は、樹脂部材１６で覆われておらず、パワーモジュール１７の外部に露出している。この放熱板１３のパワーモジュール１７の外部に露出している面（以下、露出面という）には、絶縁樹脂シート１４を挟んでヒートシンク１５が接合されている。

ヒートシンク１５は、例えば銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）などの熱伝導性に優れた材料で構成される、冷却器である。ヒートシンク１５は、接合される放熱板１３から絶縁樹脂シート１４を介して伝わる熱を、パワーモジュール１７の外部に放出させる役割を有する。図１（ｂ）に例示するように、本実施形態のヒートシンク１５は、略平板形状である中央部１５ｃと、中央部１５ｃの端部から外縁まで延びる側部１５ｓと、複数のフィン１５ｆと、で構成される。側部１５ｓは、中央部１５ｃの全周に設けられてもよいし、一部に設けられてもよい。複数のフィン１５ｆは、中央部１５ｃのパワーモジュール１７の露出面が接合されていない面に設けられる。なお、複数のフィン１５ｆは、ヒートシンク１５になくてもよい。

本実施形態に係る半導体装置１の特徴は、ヒートシンク１５の形状にある。図１（ｂ）に示すように、ヒートシンク１５は、所定の位置Ｐからパワーモジュール１７側（以下、内側という）に、側部１５ｓが曲げられている。位置Ｐは、図１（ｂ）のＡ方向から半導体装置１を平面視したときに、ヒートシンク１５と対向するパワーモジュール１７の放熱領域面Ｂに含まれる位置である。つまり、ヒートシンク１５の中央部１５ｃは、放熱領域面Ｂ内でパワーモジュール１７と接合される。よって、ヒートシンク１５は、中央部１５ｃの端部（位置Ｐ）を折り曲げ位置として、パワーモジュール１７側に曲がっている。側部１５ｓの厚み、曲げ形状、および曲げ量などは、特に限定されない。しかし、機能的には、半導体装置１のパワーモジュール１７とヒートシンク１５とを合わせたときに、パワーモジュール１７（モールドパッケージの角または面）が、最初にヒートシンク１５の側部１５ｓに当たるように設計される。詳細は、図２を用いた製造過程において説明する。この機能的な構造を実現できる形状に、半導体装置１のパワーモジュール１７（放熱領域面Ｂ）、およびヒートシンク１５（位置Ｐ、側部１５ｓ）がそれぞれ形成される。

絶縁樹脂シート１４は、例えば高い熱伝導性を有した熱硬化樹脂材料で構成され、放熱板１３の熱をヒートシンク１５に伝える役割を担う。加えて、絶縁樹脂シート１４は、放熱板１３とヒートシンク１５とを電気的に絶縁する役割をも担う。高い熱伝導性を有した樹脂としては、高熱伝導セラミックを含有したアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などが挙げられる。この絶縁樹脂シート１４は、図１に示す完成後の半導体装置１では、すでに硬化している状態である。硬化前の絶縁樹脂シート１４は、後述する製造過程におけるヒータープレス処理にて、放熱板１３とヒートシンク１５との間に挿入された状態で加熱しながら圧力がかけられ、硬化することにより放熱板１３とヒートシンク１５とを接着させる。絶縁樹脂シート１４は、パワーモジュール１７の放熱領域面Ｂをカバーする大きさを有している。

［半導体装置の製造方法］
図２を参照して、本実施形態に係る半導体装置１の製造方法の一例を説明する。まず、半導体素子１０、リード端子１２、および放熱板１３を樹脂部材１６で封止して、放熱板１３の露出面１３ａがモールドパッケージの外部に露出したパワーモジュール１７を作成する（図２（ａ））。次に、側部１５ｓを複数のフィン１５ｆが設けられていない内側に曲げたヒートシンク１５を作成する（図２（ｂ））。そして、絶縁樹脂シート１４を挟んで、パワーモジュール１７の露出面１３ａとヒートシンク１５の内側とを合わせて、ヒータープレス処理にて加熱および加圧する（図２（ｃ））。このヒータープレス処理では、パワーモジュール１７（モールドパッケージの角または面）によってまずヒートシンク１５の側部１５ｓに圧力がかかり、側部１５ｓが内側とは逆の外側に押されて変形が始まる（図２（ｃ）中の矢印）。そして、ここからさらなる圧力の印加によって、側部１５ｓをさらに弾性変形させる（図２（ｄ）中の矢印）。この側部１５ｓをさらに弾性変形させた状態で絶縁樹脂シート１４を硬化させて、パワーモジュール１７の露出面１３ａとヒートシンク１５とを接合する（図２（ｄ））。以上の処理により、本実施形態に係る半導体装置１が完成する。

［半導体装置の作用および効果］
上述したヒータープレス処理においてヒートシンク１５は、側部１５ｓが外側へ弾性変形した状態で絶縁樹脂シート１４に接着される（図２（ｄ）を参照）。従って、ヒータープレス処理による加熱および加圧が終わった後のヒートシンク１５には、内側に変形しようとする（スプリングバックによる）応力が常に働く（図１（ａ）中の矢印）。この応力は、ヒートシンク１５を絶縁樹脂シート１４へ押し付ける方向の力であるため、ヒートシンク１５における絶縁樹脂シート１４を引き剥がす方向への応力が減少することになる。以上のことにより、本実施形態に係る半導体装置１は、ヒートシンク１５が有する応力（内部応力、熱応力など）によって絶縁樹脂シート１４の端部が剥離することを抑制できる（剥離耐久性の向上、冷熱耐久性の向上）。

なお、発明者が行った実験では、本実施形態に係る半導体装置１の構造において、ヒートシンク１５による絶縁樹脂シート１４を引き剥がす方向への応力を、従来と比べて１／４程度に低減できることが確認できた。

また、上記実施形態では、半導体素子１０の片側だけに放熱板１３、絶縁樹脂シート１４、およびヒートシンク１５の構成を有する構造を説明した。しかし、この構造以外に、半導体素子１０の両側にそれぞれ放熱板１３、絶縁樹脂シート１４、およびヒートシンク１５の構成を有した構造（図３）であってもよい。この構造の場合、放熱効果がさらに向上する。

［本発明に関わる参考例］
上述した実施形態とは異なる手法を用いて、ヒータープレス処理後のヒートシンクにおいて、絶縁樹脂シートを剥離させる方向に働く内部応力が減少させた参考例を、図面を参照してさらに説明する。

［参考例１］
図４は、参考例１の半導体装置２の全体構造の断面を示す概略図、および半導体装置２を製造する手法の一例を説明する図である。この参考例１では、ヒートシンク２５の構成が、上記実施形態の構成と異なる。以下、上記実施形態と異なる構成を中心に参考例１の説明を行う。

ヒートシンク２５は、図４（ａ）に例示するように、平板２５ｃと、平板２５ｃの外側に設けられた複数のフィン２５ｆと、で構成される。複数のフィン２５ｆは、端部にある最も外側のフィンだけが短く形成されている。なお、短く形成する端部にあるフィンの数は、２つ以上であってもよい。

製造過程においては、絶縁樹脂シート１４を挟んで、パワーモジュール１７の露出面１３ａとヒートシンク２５の内側とを合わせて、ヒータープレス処理にて加熱および加圧する（図４（ｂ））。ヒートシンク２５の複数のフィン２５ｆは最端側のフィンだけが短いため、ヒータープレス処理によってヒートシンク２５の全体を加圧すると、ヒートシンク２５の端部が外側に反って変形する（図４（ｃ））。この端部を外側に反らせて変形させた状態で絶縁樹脂シート１４を硬化させて、パワーモジュール１７の露出面１３ａとヒートシンク１５とを接合する。以上の処理により、参考例１の半導体装置２が完成する。

上述したヒータープレス処理においてヒートシンク２５は、端部が外側へ反って弾性変形した状態で絶縁樹脂シート１４に接着される（図４（ｃ）を参照）。従って、ヒータープレス処理による加熱および加圧が終わった後のヒートシンク２５には、内側に変形しようとする（スプリングバックによる）応力が常に働く（図４（ａ）中の矢印）。この応力は、ヒートシンク２５を絶縁樹脂シート１４へ押し付ける方向の力であるため、ヒートシンク２５における絶縁樹脂シート１４を引き剥がす方向への応力が減少することになる。以上のことにより、参考例１の半導体装置２は、ヒートシンク２５が有する応力（内部応力、熱応力）によって絶縁樹脂シート１４の端部が剥離することを抑制できる（剥離耐久性の向上、冷熱耐久性の向上）。

なお、発明者が行った実験では、参考例１の半導体装置２の構造において、ヒートシンク２５による絶縁樹脂シート１４を引き剥がす方向への応力を、従来と比べて１／４程度に低減できることが確認できた。

また、上記参考例１では、半導体素子１０の片側だけに放熱板１３、絶縁樹脂シート１４、およびヒートシンク２５を有する構造を説明した。しかし、この構造以外に、半導体素子１０の両側にそれぞれ放熱板１３、絶縁樹脂シート１４、およびヒートシンク２５の構成を有した構造（図５（ａ））であってもよい。この構造の場合、放熱効果がさらに向上する。さらに、上述したヒートシンク２５に替えて、フィンを持たず厚みを中央部よりも外周部を薄くした別のヒートシンク２５を用いてもよい（図５（ｂ））。この別のヒートシンク２５によっても、ヒータープレス処理によって全体を加圧すると、ヒートシンク２５の端部を外側に反って変形させることができるので、同様の効果が期待できる。

［参考例２］
図６（ａ）は、参考例２の半導体装置３の全体構造の断面を示す概略図を説明する図である。この参考例２では、ヒートシンク３５の構成が、上記実施形態の構成と異なる。以下、上記実施形態と異なる構成を中心に変形例２の説明を行う。

ヒートシンク３５は、図６（ａ）に例示するように、平板３５ｃと、平板３５ｃの外側に設けられた複数のフィン３５ｆと、で構成される。なお、複数のフィン３５ｆは、ヒートシンク３５になくてもよい。ヒートシンク３５の内側における平板３５ｃの表面には、硬化済み樹脂層３４が所定の位置に設けられている。硬化済み樹脂層３４は、例えば絶縁樹脂シート１４よりも、熱伝導性が低く、フィラー含有量が少なく、低ヤング率である、低弾性樹脂材料で構成されている。この硬化済み樹脂層３４は、ヒートシンク３５の平板３５ｃの表面において、放熱板１３の端部に対向する位置から外縁の位置までの外周部に設けられる。

上記構成による参考例２の半導体装置３では、ヒートシンク３５の内側表面の外周部に硬化済み樹脂層３４を設ける。このため、熱応力が高くなるパワーモジュール１７（モールドパッケージ）の端部での樹脂の厚みを増やすことができ、応力を低減させることができる。また、パワーモジュール１７の端部に低ヤング率の硬化済み樹脂層３４を設けるので、見かけ上のヤング率が低くなり、絶縁樹脂シート１４の剥離耐久性が向上する。なお、低ヤング率である硬化済み樹脂層３４は、熱伝導性および絶縁性が低い。しかし、硬化済み樹脂層３４をヒートシンク３５の外周部だけに設けることで、半導体装置３の放熱性能および絶縁性能を確保している。

なお、発明者が行った実験では、参考例２の半導体装置３の構造における絶縁樹脂シート１４を引き剥がす方向への応力が、硬化済み樹脂層３４の厚さが１００μｍでは従来の１／２程度に、２００μｍでは従来の１／３程度に、４００μｍでは従来の１／５程度に、低減できることが確認できた。

また、上記参考例２では、半導体素子１０の片側だけに放熱板１３、絶縁樹脂シート１４、ヒートシンク３５、および硬化済み樹脂層３４を有する構造を説明した。しかし、この構造以外に、半導体素子１０の両側にそれぞれ放熱板１３、絶縁樹脂シート１４、ヒートシンク３５、および硬化済み樹脂層３４の構成を有した構造（図６（ｂ））であってもよい。この構造の場合、放熱効果がさらに向上する。さらに、硬化済み樹脂層３４を設ける位置を、ヒートシンク３５の内側表面に代えて、パワーモジュール１７側に設けても（図６（ｃ））、同様の効果が期待できる。

［参考例３］
図７（ａ）は、参考例３の半導体装置４の全体構造の断面を示す概略図を説明する図である。この参考例３では、ヒートシンク４５およびパワーモジュール４７の構成が、上記実施形態と異なる。以下、上記実施形態と異なる構成に着目して参考例３の説明を行う。

ヒートシンク４５は、図７（ａ）に例示するように、平板４５ｃと、平板４５ｃの外側に設けられた複数のフィン４５ｆと、で構成される。なお、複数のフィン４５ｆは、ヒートシンク４５になくてもよい。パワーモジュール４７の露出面を含む平面には、放熱板１３の端部から外縁に向かって、モールドパッケージの厚みが薄くなっていく勾配４７ａがつけられている。すなわち、パワーモジュール４７は、露出面を含む平面とヒートシンク４５の平板４５ｃとの間が、徐々に増加する形状を有している。

上記構成による参考例３の半導体装置４は、露出面を含む平面とヒートシンク４５の平板４５ｃとの間が徐々に増加する形状を有しているので、ヒータープレス処理時にヒートシンク４５に加えられる圧力を分散できる。よって、ヒートシンク４５にかかる荷重が端部に集中することを抑制でき、ヒートシンク４５の変形も抑制することができる。また、ヒータープレス処理後の絶縁樹脂シート１４の厚みは、パワーモジュール４７の露出面よりも勾配４７ａの部分が厚くなる。このため、ヒートシンク４５の端部にかかる熱応力および内部応力を吸収でき、絶縁樹脂シート１４の剥離耐久性が向上する。なお、勾配４７ａの部分だけ絶縁樹脂シート１４の厚みを増やしているので、露出面における放熱性能は低下しない。

なお、上記参考例３では、半導体素子１０の片側だけに放熱板１３、絶縁樹脂シート１４、ヒートシンク４５、および勾配４７ａを有する構造を説明した。しかし、この構造以外に、半導体素子１０の両側にそれぞれ放熱板１３、絶縁樹脂シート１４、ヒートシンク４５、および勾配４７ａを有した構造（図７（ｂ））であってもよい。この構造の場合、放熱効果がさらに向上する。また、参考例３の構造は、パワーモジュール４７の露出面を含む平面とヒートシンク４５の平板４５ｃとの間が徐々に増加する形状であればよいため、ヒートシンク４５の平板４５ｃ側に、外縁に向かって厚みが薄くなる勾配がつけられていてもよいし、パワーモジュール４７の露出面を含む平面とヒートシンク４５の平板４５ｃとの両側に、勾配がつけられていてもよい。

本発明は、半導体素子と放熱部材とを封止したパワーモジュールに、当該半導体素子を冷却する冷却器を備えた、半導体装置などに利用可能である。

１、２、３、４ 半導体装置
１１ａ、１１ｂ 接合部材
１０ 半導体素子
１２ リード端子
１３ 放熱板（放熱部材）
１３ａ 露出面
１４、２４ 絶縁樹脂シート
１５、２５、３５、４５ ヒートシンク（冷却器）
１５ｃ 中央部
１５ｆ フィン
１５ｓ 側部
１６ 樹脂部材
１７、４７ パワーモジュール
３４ 硬化済み樹脂層
４７ａ 勾配

Claims (1)

1. 半導体装置であって、
   少なくとも１つの主面に放熱部材が接合された半導体素子を、当該放熱部材の一部を露出させて封止したパワーモジュールと、
   前記放熱部材の露出面を含む前記パワーモジュールの放熱領域面に、絶縁樹脂シートを介して接合された冷却器とを備え、
   前記冷却器は、前記放熱領域面内において前記パワーモジュールと接合される中央部と、当該中央部の端部から外縁へ延びた側部とを含み、当該側部が当該中央部の端部を折り曲げ位置として前記パワーモジュール側に曲がっている、半導体装置。

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