JP2016115807A

JP2016115807A - 半導体装置

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Publication number: JP2016115807A
Application number: JP2014253273A
Authority: JP
Inventors: 卓矢門口; Takuya Kadoguchi; 清文中島; Kiyofumi Nakajima; 慎介青木; Shinsuke Aoki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-12-15
Filing date: 2014-12-15
Publication date: 2016-06-23
Anticipated expiration: 2034-12-15
Also published as: JP6380076B2

Abstract

【課題】放熱ブロックと放熱板とが設けられながらはんだ層に歪みが生じにくい半導体装置を提供する。【解決手段】半導体素子と、当該素子の一方面上の、金属ブロック、第１の放熱ブロック、および、第１の絶縁基板を有する第１の放熱板と、当該素子の他方面上の、第２の放熱ブロック、および、第２の絶縁基板を有する第２の放熱板と、半導体素子と金属ブロックとを接合する第１のはんだ層と、金属ブロックと第１の放熱板とを接合する第２のはんだ層と、半導体素子と第２の放熱ブロックとを接合する第３のはんだ層とを備え、第１の放熱板は第１の絶縁基板を有し、第２の放熱板は第２の絶縁基板を有し、第１の絶縁基板の線膨張係数は第１の放熱ブロックの材質の線膨張係数より小さく、金属ブロックの線膨張係数は、第１の放熱ブロックの材質の線膨張係数より小さく、第１の絶縁基板に積層された状態の第１の放熱ブロックの線膨張係数とほぼ等しい。【選択図】図１

Description

本発明は、放熱構造を有する半導体装置に関する。

パワー半導体モジュールとして、半導体素子と、当該半導体素子で発生した熱を放熱フィンへと導く放熱ブロックとを含み、全体が樹脂封止された実装構造を有するものがある。図２に、このような構成の半導体装置１００の構成を示す。半導体装置１００において、半導体素子Ｄの一方面上に、半導体素子Ｄ側から順に、金属ブロック１１０と第１の放熱ブロック１２０とが積層されている。また、半導体素子Ｄの他方面上に第２の放熱ブロック２２０が積層されている。金属ブロック１１０、第１の放熱ブロック１２０、および、第２の放熱ブロック２２０は銅からなる。

半導体素子Ｄと金属ブロック１１０とは、はんだ層３１０により接合されている。金属ブロック１１０と第１の放熱ブロック１２０とは、はんだ層３２０により接合されている。半導体素子Ｄと第２の放熱ブロック２２０とは、はんだ層３３０により接合されている。また、半導体素子Ｄを含む上記の積層体の全体は、モールド樹脂４１０により封止されている。

また、特許文献１および２には、半導体素子の一方面上に金属ブロックと第１の放熱板とが積層されるとともに、半導体素子の他方面上に第２の放熱板が積層された半導体装置が記載されている。第１の放熱板および第２の放熱板は、それぞれ絶縁基板の両面に金属層が接合された構成をなす。

特開２００８−０４１７５２号公報特開２０１４−０６０４１０号公報

また、図２の半導体装置１００に、特許文献１および２に記載されているような第１の放熱板および第２の放熱板を追加した構成の半導体装置が考えられる。図３に、このような半導体装置２００の構成を示す。

半導体装置２００において、第１の放熱ブロック１２０の、半導体素子Ｄ側とは反対側の面上に、第１の放熱板１３０が積層されている。また、第２の放熱ブロック２２０の、半導体素子Ｄ側とは反対側の面上に、第２の放熱板２３０が積層されている。第１の放熱板１３０は、半導体素子Ｄ側から順に、金属層１３０ａ、絶縁基板１３０ｂ、および、金属層１３０ｃが積層された構成をなす。第２の放熱板２３０は、半導体素子Ｄ側から順に、金属層２３０ａ、絶縁基板２３０ｂ、および、金属層２３０ｃが積層された構成をなす。

金属層１３０ａ、金属層１３０ｃ、金属層２３０ａ、および、金属層２３０ｂは例えばアルミニウムからなる。絶縁基板１３０ｂおよび絶縁基板２３０ｂは、例えばセラミックスからなる。

しかしながら、半導体装置２００においては、半導体装置１００の冷熱サイクルに伴う大きな線膨張差が発生することにより、はんだ層３１０およびはんだ層３２０に歪みが生じるという問題がある。この理由を以下に説明する。

柔らかいはんだ層３１０および３２０を両面に有する金属ブロック１１０は、拘束が小さい状態で線膨張Ｆ１を起こす。一方、第１の放熱板１３０が線膨張を起こしにくい絶縁基板１３０ｂを有していることから、第１の放熱板１３０上に拘束された第１の放熱ブロック１２０の線膨張Ｆ２は、当該拘束のない場合よりも小さく抑えられる。したがって、はんだ層３１０およびはんだ層３２０に、金属ブロック１１０と、第１の放熱ブロック１２０および第１の放熱板１３０からなる積層部分との間の線膨張差Ｆ１−Ｆ２に起因する応力により大きな非線形歪みが生じる。また、半導体素子Ｄの他方面上に配置されたはんだ層３３０は、第２の放熱板２３０に接合された第２の放熱ブロック２２０に拘束されるため、はんだ層３３０には歪みが生じにくい。

このように、従来の半導体装置には、放熱ブロックに加えて放熱板が設けられることにより、半導体素子の金属ブロックが配置される側で線膨張の不均衡が生じる結果、金属ブロックの両面のはんだ層に大きな歪みが生じる。斯かる歪みが生じると、はんだ層の接合強度に対する信頼性が低下する。

本発明は、上記課題に鑑み、放熱ブロックと絶縁基板を有する放熱板とが設けられながら、はんだ層に歪みが生じにくい半導体装置を提供するものである。

第１の発明は、半導体装置であって、半導体素子と、前記半導体素子の一方面上に、前記半導体素子側から順に積層された、金属ブロック、第１の放熱ブロック、および、第１の放熱板と、前記半導体素子の他方面上に、前記半導体素子側から順に積層された、第２の放熱ブロックおよび第２の放熱板と、前記半導体素子と前記金属ブロックとを接合する第１のはんだ層と、前記金属ブロックと前記第１の放熱板とを接合する第２のはんだ層と、前記半導体素子と前記第２の放熱ブロックとを接合する第３のはんだ層と、を備え、前記第１の放熱板は第１の絶縁基板を有しており、前記第２の放熱板は第２の絶縁基板を有しており、前記第１の絶縁基板の線膨張係数は前記第１の放熱ブロックの材質の線膨張係数よりも小さく、前記金属ブロックの線膨張係数は、前記第１の放熱ブロックの材質の線膨張係数よりも小さく、前記第１の絶縁基板に積層された状態の前記第１の放熱ブロックの線膨張係数とほぼ等しい。

第１の発明によれば、金属ブロックの線膨張係数が、第１の放熱ブロックの材質の線膨張係数よりも小さく、第１の絶縁基板に積層された状態の第１の放熱ブロックの線膨張係数とほぼ等しい。すなわち、第１の絶縁基板に積層された状態の第１の放熱ブロックの線膨張係数は、第１の放熱ブロックの材質の線膨張係数よりも小さくなることから、金属ブロックの線膨張係数を、第１の絶縁基板上の第１の放熱ブロックの線膨張係数にほぼ合わせるものである。したがって、半導体装置の冷熱サイクル時に、金属ブロックと、第１の放熱ブロックおよび第１の放熱板からなる積層部分との間に発生する線膨張差を小さくすることができる。これにより、第１のはんだ層および第２のはんだ層に歪みが発生することを抑制することができる。

本発明によれば、放熱ブロックと絶縁基板を有する放熱板とが設けられながら、はんだ層に歪みが生じにくい半導体装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る半導体装置を説明する図であって、（ａ）は半導体装置の構成を示す断面図、（ｂ）は金属ブロックの別の構成を示す断面図従来の半導体装置の構成を示す断面図本発明の実施形態に係る半導体装置の比較例の構成を示す断面図

以下、図１を参照しながら、実施の形態について詳細に説明する。本実施形態に係る半導体装置は、半導体素子と、半導体素子の一方面側に積層された金属ブロック、第１の放熱ブロック、および、絶縁基板を有する第１の放熱板と、半導体素子の他方面側に積層された第２の放熱ブロック、および、絶縁基板を有する第２の放熱板とを備えている。半導体素子と金属ブロックとの間と、金属ブロックと第１の放熱ブロックとの間と、半導体素子と第２の放熱ブロックとの間とは、それぞれはんだ層による接合が行われている。そして、金属ブロックの線膨張係数は、第１の放熱ブロックの材質の線膨張係数よりも小さく、第１の絶縁基板に積層された状態の第１の放熱ブロックの線膨張係数とほぼ等しい。

[半導体装置の構成]
図１（ａ）に、本実施形態に係る半導体装置１の構成を示す。

半導体装置１は、半導体素子Ｄを備えている。半導体素子Ｄは、例えばチップ形状のパワー半導体素子からなり、ここではＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であるとする。

半導体素子Ｄの一方面上に、半導体素子Ｄ側から順に、金属ブロック１１、ヒートスプレッダ（第１の放熱ブロック）１２、および、放熱板（第１の放熱板）１３が積層されている。半導体素子Ｄの他方面上に、半導体素子Ｄ側から順に、ヒートスプレッダ（第２の放熱ブロック）２２および放熱板（第２の放熱板）２３が積層されている。

半導体素子Ｄと金属ブロック１１とは、はんだ層（第１のはんだ層）３１により接合されている。金属ブロック１１とヒートスプレッダ１２とは、はんだ層（第２のはんだ層）３２により接合されている。半導体素子Ｄとヒートスプレッダ２２とは、はんだ層（第３のはんだ層）３３により接合されている。

金属ブロック１１は、例えば銅モリブデン合金（ＣｕＭｏ）などの銅合金からなる。後述するように、銅とモリブデンとの合金の線膨張係数は、銅の線膨張係数よりも小さい。

この他に、金属ブロック１１として、図１（ｂ）に示すような構成が挙げられる。図１（ｂ）の金属ブロック１１は、主層１１ａ、第１表面層１１ｂ、および、第２表面層１１ｃを備えている。主層１１ａは、例えば銅モリブデン合金（ＣｕＭｏ）などの銅合金からなる。第１表面層１１ｂは、主層１１ａの半導体素子Ｄ側に積層され、はんだ層３１と接している。第２表面層１１ｃは、主層１１ａのヒートスプレッダ１２側に積層され、はんだ層３２と接している。第１表面層１１ｂおよび第２表面層１１ｃは高熱伝導性の金属層であり、例えば銅（Ｃｕ）からなる。当該金属ブロック１１は、Ｃｕ／ＣｕＭｏ／Ｃｕの積層構造を有するクラッド材を用いて構成することができる。

ヒートスプレッダ１２およびヒートスプレッダ２２は、半導体素子Ｄからの熱を拡散するバルク体からなるブロックであり、例えば銅（Ｃｕ）からなる。

放熱板１３は、半導体素子Ｄ側から順に、金属層１３ａ、絶縁基板（第１の絶縁基板）１３ｂ、および、金属層１３ｃが積層された構成を有する。放熱板２３は、半導体素子Ｄ側から順に、金属層２３ａ、絶縁基板（第２の絶縁基板）２３ｂ、および、金属層２３ｃが積層された構成を有する。絶縁基板１３ｂおよび絶縁基板２３ｂは、例えばセラミックスからなる。金属層１３ａ、金属層１３ｃ、金属層２３ａ、および、金属層２３ｃは、例えばアルミニウム（Ａｌ）からなる。

また、ヒートスプレッダ１２は、放熱板１３の金属層１３ａと接合されている。ヒートスプレッダ２２は、放熱板２３の金属層２３ａと接合されている。

金属ブロック１１、ヒートスプレッダ１２、および、放熱板１３は、ＩＧＢＴのエミッタ側の放熱経路を構成している。ヒートスプレッダ２２および放熱板２３はＩＧＢＴのコレクタ側の放熱経路を構成している。

半導体素子Ｄと半導体素子Ｄの上下の積層物とからなる積層体の全体は、モールド樹脂４１によって封止されている。金属層１３ｃおよび金属層２３ｃの、半導体素子Ｄ側とは反対側の面は、モールド樹脂４１の外側に露出している。

上述の構成の半導体装置１において、金属ブロック１１の線膨張係数は、ヒートスプレッダ１２の線膨張係数よりも小さい。例えば、図１（ａ）の金属ブロック１１、または、図１（ｂ）の金属ブロック１１の主層１１ａに、線膨張係数が１．１×１０^−５／Ｋの銅モリブデン合金を用いることにより、金属ブロック１１の線膨張係数を、ヒートスプレッダ１２の材質である銅の線膨張係数（１．７×１０^−５／Ｋ）よりも小さくすることができる。また、ヒートスプレッダ１２に絶縁基板１３ｂを有する放熱板１３が接合された場合、ヒートスプレッダ１２の線膨張係数は、ヒートスプレッダ１２の材質である銅の線膨張係数よりも小さな線膨張係数を有する絶縁基板１３ｂによる拘束を受けて、ヒートスプレッダ１２の材質の線膨張係数よりも小さくなる。本実施形態では、金属ブロック１１の線膨張係数をヒートスプレッダ１２の材質の線膨張係数より小さくするとともに、絶縁基板１３ｂに積層された状態のヒートスプレッダ１２の線膨張係数と等しくする。これにより、金属ブロック１１と、ヒートスプレッダ１２および放熱板１３からなる積層部分との間に発生する線膨張差を小さくすることができる。

［実施の形態の効果等］
本実施形態の半導体装置１によれば、金属ブロック１１の線膨張係数が、ヒートスプレッダ１２の材質の線膨張係数よりも小さく、絶縁基板１３ｂに積層された状態のヒートスプレッダ１２の線膨張係数とほぼ等しい。すなわち、絶縁基板１３ｂに積層された状態のヒートスプレッダ１２の線膨張係数は、ヒートスプレッダ１２の材質の線膨張係数よりも小さくなることから、金属ブロック１１の線膨張係数を、絶縁基板１３ｂ上のヒートスプレッダ１２の線膨張係数にほぼ合わせるものである。したがって、半導体装置１の冷熱サイクル時に、金属ブロック１１と、ヒートスプレッダ１２および放熱板１３からなる積層部分との間に発生する線膨張差を小さくすることができる。これにより、はんだ層３１およびはんだ層３２に歪みが発生することを抑制することができる。

例えば、図３の半導体装置２００のように、放熱ブロックおよび放熱板を有することによりはんだ層に発生する非線形歪みの振幅は、３．０×１０^−２程度の大きさである。これに対して、半導体装置１における非線形歪みの振幅は、例えば１．５×１０^−２程度の大きさにまで減少する。この減少した非線形ひずみ振幅（１．５×１０^−２程度）は、図２の半導体装置１００のような放熱板を備えない構成の非線形ひずみ（２．０×１０^−２程度）よりも小さい。

また、半導体装置１によれば、金属ブロックを例えば多孔質金属といった応力緩和作用のある構成とする場合よりも、金属ブロックの両面のはんだ層に発生する歪みを良好に抑制することができる。

また、金属ブロックの両面のはんだ層に発生する歪みが抑制されることにより、これらを封止するモールド樹脂４１を低線膨張化することができる。さらには、半導体装置１において、金属ブロック１１の線膨張係数と、ヒートスプレッダ１２および放熱板１３からなる積層部分の線膨張係数とを等しくするとともに、モールド樹脂４１の線膨張係数をこれらの線膨張係数にほぼ等しくすることにより、モールド樹脂４１に線膨張差に起因した歪みが発生することを抑制することができる。

また、以上に説明したような各部における歪み低減により、半導体装置１内での熱伝達が均一になり、発熱時に部分的に過熱を生じる現象を抑制することができる。さらに、図１（ｂ）に示した金属ブロック１１によれば、第１の表面層１１ｂおよび第２の表面層１１ｃにより金属ブロック１１を介した熱伝導を良好にすることから、放熱経路にそれだけ部分的な過熱を生じにくい。

本発明は、パワー半導体素子などの放熱構造を有する半導体素子を有する半導体装置などに適用可能である。

１、１００、２００半導体装置
１１、１１０金属ブロック
１２、２２ヒートスプレッダ
１３、２３放熱板
１３ａ、１３ｃ、２３ａ、２３ｃ、１３０ａ、１３０ｃ、２３０ａ、２３０ｃ金属層
１３ｂ、２３ｂ絶縁基板
３１、３２、３３、３１０、３２０、３３０はんだ層
４１、４１０モールド樹脂
１２０第１の放熱ブロック
２３０第２の放熱ブロック
１３０第１の放熱板
２３０第２の放熱板
Ｄ半導体素子
Ｆ１、Ｆ２線膨張

Claims

半導体素子と、
前記半導体素子の一方面上に、前記半導体素子側から順に積層された、金属ブロック、第１の放熱ブロック、および、第１の放熱板と、
前記半導体素子の他方面上に、前記半導体素子側から順に積層された、第２の放熱ブロックおよび第２の放熱板と、
前記半導体素子と前記金属ブロックとを接合する第１のはんだ層と、
前記金属ブロックと前記第１の放熱板とを接合する第２のはんだ層と、
前記半導体素子と前記第２の放熱ブロックとを接合する第３のはんだ層と、
を備え、
前記第１の放熱板は第１の絶縁基板を有しており、
前記第２の放熱板は第２の絶縁基板を有しており、
前記第１の絶縁基板の線膨張係数は前記第１の放熱ブロックの材質の線膨張係数よりも小さく、
前記金属ブロックの線膨張係数は、前記第１の放熱ブロックの材質の線膨張係数よりも小さく、前記第１の絶縁基板に積層された状態の前記第１の放熱ブロックの線膨張係数とほぼ等しいことを特徴とする半導体装置。