JP2016139658A

JP2016139658A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2016139658A
Application number: JP2015012481A
Authority: JP
Inventors: 将司林; Shoji Hayashi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-01-26
Filing date: 2015-01-26
Publication date: 2016-08-04

Abstract

【課題】半導体素子に対するスペーサ又は放熱板の実装公差を小さくすることができる半導体装置を提供すること。【解決手段】半導体素子と、半導体素子の少なくとも一方の面に接合材及びスペーサを介して接続される放熱板、又は一方の面に接合材を介して接続される放熱板とを有し、半導体素子と放熱板とは熱的に接続される半導体装置であって、一方の面に形成され、半導体素子に対するスペーサの取付位置又は接合材を介して接続される放熱板の取付位置を決める位置決め部材を有し、位置決め部材の溶融温度は、接合材の溶融温度よりも高い、半導体装置が提供される。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に関する。

従来、モールドタイプの半導体装置において、半導体素子の両面にスペーサを介して放熱板を取り付け、放熱板の両面を冷媒によって冷却するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−１６５５３４号公報

しかしながら、上述の従来技術においては、半導体素子にスペーサを介して放熱板を取り付ける際、カーボン治具を用いたリフロー工程を用いるため、半導体素子に対するスペーサの取付位置の公差（以下「実装公差」ともいう。）を大きくする必要がある。

このため、放熱板と半導体素子との間に設けられるスペーサの大きさを半導体素子の大きさよりも小さくする必要があり、半導体素子の放熱経路がスペーサの大きさによって制限される。結果として、半導体素子の冷却性能が低下することがある。

そこで、本発明の一つの案では、半導体素子に対するスペーサ又は放熱板の実装公差を小さく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。

一つの案では、半導体素子と、前記半導体素子の少なくとも一方の面に接合材及びスペーサを介して接続される放熱板、又は前記一方の面に接合材を介して接続される放熱板とを有し、前記半導体素子と前記放熱板とは熱的に接続される半導体装置であって、前記一方の面に形成され、前記半導体素子に対する前記スペーサの取付位置又は前記接合材を介して接続される放熱板の取付位置を決める位置決め部材を有し、前記位置決め部材の溶融温度は、前記接合材の溶融温度よりも高い、半導体装置が提供される。

一態様によれば、半導体素子に対するスペーサ又は放熱板の実装公差を小さくすることができる。

本発明の一実施形態に係る半導体装置の概略側面図である。本発明の一実施形態に係る半導体装置の概略平面図である。本発明の一実施形態に係る半導体装置の他の例を示す概略側面図である。本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための概略側面図（その１）である。本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための概略平面図（その１）である。本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための概略側面図（その２）である。本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための概略平面図（その２）である。本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための概略側面図（その３）である。本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための概略平面図（その３）である。

以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照しながら説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。

（半導体装置の構成）
本発明の一実施形態に係る半導体装置について、図１及び図２を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の概略側面図である。図２は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の概略平面図である。なお、説明の便宜上、図２では、図１に示す第２の放熱板１５及びはんだ１６の図示を省略している。

図１及び図２に示すように、本発明の一実施形態に係る半導体装置１は、第１の放熱板１１と、半導体素子１２と、ワイヤボンド１３と、スペーサブロック１４と、第２の放熱板１５とを有する。

第１の放熱板１１は、高い熱伝導性を利用して放熱、排熱を行う部品である。第１の放熱板１１の上面は、接合材の一例としてのはんだ１６を介して半導体素子１２の下面と熱的に接続されている。これにより、第１の放熱板１１は、半導体素子１２で発生する熱を伝達する。

半導体素子１２としては、特に限定されないが、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、バイポーラトランジスタ等のパワー半導体素子を好適に用いることができる。半導体素子１２の材料としては、特に限定されないが、例えばシリコン（Ｓｉ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、ガリウムナイトライド（ＧａＮ）等の半導体を用いることができる。

半導体素子１２の下面は、はんだ１６を介して第１の放熱板１１の上面と接合されている。半導体素子１２の上面は、はんだ１６を介してスペーサブロック１４の下面と接合されている。また、半導体素子１２の上面には、ワイヤボンド１３が形成されている。

ワイヤボンド１３は、位置決め部材の一例であり、半導体素子１２の上面に形成され、半導体素子１２に対するスペーサブロック１４の取付位置を決める部材である。位置決め部材としては、半導体素子１２に対するスペーサブロック１４の取付位置を決める部材であれば特に限定されないが、後述するように、半導体素子１２とリードフレーム１７等とをワイヤボンド１３ｂを用いて接続する際に同時に形成することができるという観点から、ワイヤボンド１３であることが好ましい。

また、ワイヤボンド１３は、半導体素子１２に対するスペーサブロック１４の取付位置の位置決め精度を向上させることができるという観点から、半導体素子１２の上面に３か所以上形成されていることが好ましい。図２の例では、ワイヤボンド１３は、半導体素子１２の上面における活性領域１２Ａの４隅近傍の４か所に形成されている。ワイヤボンド１３の材料としては、はんだ１６等の接合材の溶融温度よりも高い溶融温度の材料を用いることができる。例えば接合材としてＳｎ−Ｐｂ系はんだや、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ等の鉛フリーはんだを用いる場合、ワイヤボンド１３の材料としては、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等を用いることができる。

スペーサブロック１４は、スペーサの一例であり、半導体素子１２と第２の放熱板１５との間に空間を形成する、高い熱伝導性を有する部材である。

スペーサブロック１４の下面は、はんだ１６を介して半導体素子１２の上面と接合されている。スペーサブロック１４には、半導体素子１２の上面に形成されたワイヤボンド１３と対応した位置に凹部１４ａが形成されている。具体的には、例えば図２に示すように、半導体素子１２の活性領域１２Ａの４隅近傍にワイヤボンド１３が形成されている場合、スペーサブロック１４にはワイヤボンド１３と対応した位置である４隅に凹部１４ａが形成される。

第２の放熱板１５は、高い熱伝導性を利用して放熱、排熱を行う部品である。第２の放熱板１５は、はんだ１６を介してスペーサブロック１４の上面と熱的に接続されている。これにより、第２の放熱板１５は、半導体素子１２で発生する熱を伝達する。

以上に説明したように、本発明の一実施形態に係る半導体装置は、半導体素子の少なくとも一方の面に形成され、半導体素子に対するスペーサの取付位置又は接合材を介して接続される放熱板の取付位置を決める位置決め部材を有する。また、位置決め部材の溶融温度は、接合材の溶融温度よりも高い。

なお、本実施形態では、接合材の一例として、はんだ１６を用いる場合について説明したが、本発明はこの点において限定されるものではなく、例えば導電性接着剤を用いてもよい。

また、本実施形態では、半導体素子１２の一方の面にはんだ１６及びスペーサブロック１４を介して第２の放熱板１５が形成されている構成について説明したが、本発明はこの点において限定されるものではない。例えば図３に示すように、半導体素子１２の一方の面にスペーサブロック１４を設けることなく、はんだ１６を介して第２の放熱板１５が形成されている半導体装置２であってもよい。この場合、第２の放熱板１５としては、例えば板状部１５ａと板状部１５ａから半導体素子１２と接合される側の面に突出した凸部１５ｂとを有する形態とすることができる。

（半導体装置の製造方法）
本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図１及び図４から図９を参照しながら説明する。図４、図６及び図８は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための概略側面図である。図５、図７及び図９は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための概略平面図である。

まず、図４及び図５に示すように、第１の放熱板１１の上面に、はんだ１６を介して半導体素子１２を接合する。具体的には、例えばリフローによる接合が挙げられ、第１の放熱板１１の上面にはんだ箔を介して半導体素子１２を配置した後、はんだ１６の融点以上に昇温することにより、はんだ箔を溶融させてから、冷却して硬化させる。これにより、第１の放熱板１１の上面に、はんだ１６を介して半導体素子１２が熱的に接続される。

次いで、図６及び図７に示すように、半導体素子１２の活性領域１２Ａ上に、スペーサブロック１４の位置決め用のワイヤボンド１３ａ及びリードフレーム１７との接続用のワイヤボンド１３ｂを形成する。このとき、画像認識により半導体素子１２の活性領域１２Ａ上の所定の位置にワイヤボンド１３を精度よく形成することができるため、実装公差を小さくすることができる。

次いで、図８及び図９に示すように、半導体素子１２の上面に、スペーサブロック１４を接合する。具体的には、例えばリフローによる接合が挙げられ、半導体素子１２の上面にはんだ箔を介してスペーサブロック１４を配置した後、はんだ１６の融点以上に昇温することにより、はんだ箔を溶融させてから、冷却して硬化させる。このとき、スペーサブロック１４には、半導体素子１２の上面に設けられたスペーサブロック１４の位置決め用のワイヤボンド１３ａと対応した位置に凹部１４ａが形成されている。このため、スペーサブロック１４の位置決め用のワイヤボンド１３ａとスペーサブロック１４の凹部１４ａとが嵌合することにより、半導体素子１２に対してスペーサブロック１４が位置決めされる。

次いで、図１に示すように、スペーサブロック１４の上面に、例えばリフローにより、第２の放熱板１５を接合する。これにより、スペーサブロック１４の上面に、はんだ１６を介して第２の放熱板１５が熱的に接続される。

以上により、本発明の一実施形態に係る半導体装置１を製造することができる。

（作用・効果）
本発明の一実施形態に係る半導体装置による作用・効果について説明する。

本発明の一実施形態に係る半導体装置１によれば、半導体素子１２の上面に形成され、半導体素子１２とスペーサブロック１４との間の取付位置の位置決めを行うワイヤボンド１３ａが形成されている。これにより、スペーサブロック１４の実装公差を小さくすることができるため、スペーサブロック１４の大きさを、半導体素子１２の活性領域１２Ａの大きさと略同一の大きさにすることができる。結果として、半導体素子１２の放熱性（冷却性能）を向上させることができる。

また、本発明の一実施形態に係る半導体装置１によれば、ワイヤボンド１３ａの溶融温度がはんだ１６の溶融温度よりも高い。このため、互いに位置決めされた半導体素子１２とスペーサブロック１４とをリフローにより接合する際、ワイヤボンド１３ａが溶融することがなく、半導体素子１２とスペーサブロック１４との位置がずれることがない。

また、本発明の一実施形態に係る半導体装置１によれば、スペーサブロック１４には、半導体素子１２の上面に設けられたワイヤボンド１３ａと対応した位置に凹部１４ａが形成されている。このため、半導体素子１２の上面にはんだ１６を介してスペーサブロック１４を接合する際、半導体素子１２の上面に設けられたワイヤボンド１３ａとスペーサブロック１４に設けられた凹部１４ａとが嵌合することにより、半導体素子１２とスペーサブロック１４とが位置決めされる。結果として、半導体素子１２とスペーサブロック１４との位置決めの精度が向上する。

以上、半導体装置及び半導体装置の製造方法を実施形態により説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。

１半導体装置
１１第１の放熱板
１２半導体素子
１２Ａ活性領域
１３ワイヤボンド
１４スペーサブロック
１５第２の放熱板
１６はんだ

Claims

半導体素子と、前記半導体素子の少なくとも一方の面に接合材及びスペーサを介して接続される放熱板、又は前記一方の面に接合材を介して接続される放熱板とを有し、前記半導体素子と前記放熱板とは熱的に接続される半導体装置であって、
前記一方の面に形成され、前記半導体素子に対する前記スペーサの取付位置又は前記接合材を介して接続される放熱板の取付位置を決める位置決め部材を有し、
前記位置決め部材の溶融温度は、前記接合材の溶融温度よりも高い、
半導体装置。