JP2016207910A - 半導体装置 - Google Patents

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博 吉田
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Yoshitaka Otsubo
義貴 大坪
秀俊 石橋
Hidetoshi Ishibashi
秀俊 石橋
賢太 中原
Kenta Nakahara
賢太 中原
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Abstract

【課題】高い放熱性を有し、かつ熱応力に起因した反りを抑えることができる半導体装置を提供する。【解決手段】第１の導体層４は、絶縁板１２の第１の面Ｓ１上に設けられており、第１の体積を有する。第２の導体層２は、絶縁板１２の第２の面Ｓ２上に設けられており、第２の体積を有する。第３の導体層３は、絶縁板１２の第２の面Ｓ２上に設けられており、第３の体積を有する。第３の導体層は、第２の導体層よりも厚い実装領域３Ｍを有する。第２の体積および第３の体積の和は第１の体積の７０％以上１３０％以下である。半導体チップ１は実装領域３Ｍ上に設けられている。封止部１０は、絶縁体から作られており、ケース９内で半導体チップ１を封止している。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に、回路基板上に設けられた半導体チップを有する半導体装置に関するものである。
低炭素社会の実現へ向けて、半導体装置の分野においては、エネルギー効率の向上に寄与し得るパワーデバイスへの期待が高まっている。パワーデバイス分野に用いられる半導体チップは、高集積化が進められており、また、より高速で動作されるようになってきている。このため半導体チップのパワー密度が高くなってきており、またその発熱量も大きくなってきている。それに応じて半導体装置には、高い放熱性能が求められてきている。放熱性能は、半導体チップが実装される回路基板に依存するところが大きい。
特開２００７−１３４５６３号公報（特許文献１）によれば、セラミック基板と、エッチングにより形成された金属回路パターンとを有する回路基板が開示されている。セラミック基板の裏面には金属層が接合される。この金属層は、その上に放熱板を接合するためのものである。またこの公報において、パワーモジュールのパワー部と制御部とで素子に流れる電流量が異なるという点に鑑み、１つの基板上に、金属回路の厚い部分と薄い部分とを形成する必要があることが指摘されている。
特開２００７−２０１３４６号公報（特許文献２）によれば、メタライズ層（金属層）とヒートスプレッダー（放熱板）とがはんだを介して接合された場合の問題点が指摘されている。具体的には、はんだ層の存在によりヒートスプレッダーの放熱性が十分に引き出せないことが指摘されている。そこでこの公報に記載の技術においては、セラミック基板の表面に、金属粒子成分の焼結体で構成された厚膜の放熱性導体回路が形成される。
特開２００７−１３４５６３号公報 特開２００７−２０１３４６号公報
回路基板において、回路パターンと、それを支持する絶縁板とは、異なる材料から作られている。このため、半導体装置の温度が変化すると、異なる材料間の熱膨張係数の相違に起因して、回路基板に反りが発生する。上記各公報に記載の技術においては、回路基板の反りを抑制することが考慮されていなかった。
本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、高い放熱性を有し、かつ熱応力に起因した反りを抑えることができる半導体装置を提供することである。
本発明の半導体装置は、ケースと、外部端子と、絶縁板と、第１の導体層と、第２の導体層と、第３の導体層と、半導体チップと、封止部と、配線部とを有する。外部端子はケースに取り付けられている。絶縁板は、第１の面と、第１の面と反対の、ケースに囲まれた第２の面とを有する。第１の導体層は、絶縁板の第１の面上に設けられており、一の導体材料から作られており、第１の体積を有する。第２の導体層は、絶縁板の第２の面上に設けられており、一の導体材料から作られており、第２の体積を有する。第３の導体層は、絶縁板の第２の面上に第２の導体層から離れて設けられており、一の導体材料から作られており、第３の体積を有する。第３の導体層は、第２の導体層よりも厚い実装領域を有する。第２の体積および第３の体積の和は第１の体積の７０％以上１３０％以下である。半導体チップは第３の導体層上に設けられている。封止部は、絶縁体から作られており、ケース内で半導体チップを封止している。配線部は、封止部内を通っており、半導体チップと、外部端子および第２の導体層の少なくともいずれかとを短絡している。
本発明によれば、半導体チップが第２の導体層よりも厚い実装領域上に配置されていることにより、実装領域が第２の導体層の厚さと同じ厚さを有する場合に比して、放熱性を高めることができ、特に過渡熱抵抗を抑えることができる。また絶縁板の第１の面上に設けられた第２および第３の導体層の体積の和が、絶縁板の第１の面上に設けられた第１の導体層の体積の７０％以上１３０％以下であることにより、絶縁板の第１の面側の熱応力と第２の面側の熱応力との差異が小さくなる。これにより、絶縁板の反りを抑えることができる。以上から、高い放熱性を有し、かつ熱応力に起因した反りを抑えることができる半導体装置が得られる。
本発明の実施の形態１における半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。 図１の半導体装置が有する回路基板の構成を示す、図３の線ＩＩ−ＩＩに沿う概略的な断面図である。 図１の半導体装置が有する回路基板の構成を概略的に示す平面図である。 比較例の半導体装置の構成を示す断面図である。 図４の半導体装置の過渡熱抵抗の例を示すグラフ図である。 図１の半導体装置の過渡熱抵抗の例を示すグラフ図である。 体積Ｖ１に対する体積Ｖ２およびＶ３の和の比率と、絶縁板の反り量との関係の例を示すグラフ図である。 本発明の実施の形態２における半導体装置が有する回路基板の構成を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態３における半導体装置が有する回路基板の構成を概略的に示す平面図である。 図９の破線部Ｘの拡大図である。 図１０の線ＸＩ−ＸＩに沿う概略的な部分断面図である。 本発明の実施の形態４における半導体装置が有する回路基板の構成を概略的に示す平面図である。 本発明の実施の形態５における半導体装置が有する回路基板の構成を概略的に示す平面図である。 図１３の破線部ＸＩＶの拡大図である。 図１４の線ＸＶ−ＸＶに沿う概略的な部分断面図である。 図１４の線ＸＶＩ−ＸＶＩに沿う概略的な部分断面図である。
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
＜実施の形態１＞
（構成）
図１を参照して、本実施の形態の半導体装置５０１は、ケース９と、信号端子７（外部端子）と、主端子８（外部端子）と、半導体チップ１と、はんだ部１１と、封止部１０と、ワイヤー６（配線部）と、回路基板１０１とを有する。さらに図２および図３を参照して、回路基板１０１は、絶縁板１２と、回路パターン４（第１の導体層）と、回路パターン２（第２の導体層）と、回路パターン３（第３の導体層）とを有する。なお、図３においては、回路基板１０１の形状に加えて、回路パターン３の実装領域３Ｍを破線で示し、また半導体チップ１を２点鎖線で示している。
絶縁板１２は、たとえば、アルミナ、窒化珪素または窒化アルミニウムのセラミックから作られている。絶縁板１２は、下面Ｓ１（第１の面）と、下面Ｓ１と反対の、ケース９に囲まれた上面Ｓ２（第２の面）とを有する。
回路パターン４は絶縁板１２の下面Ｓ１上に設けられている。回路パターン４上には冷却フィンなどの冷却器（図示せず）が取り付けられてもよい。冷却器は、たとえば熱伝導グリースによって取り付けられ得る。回路パターン２は絶縁板１２の上面Ｓ２上に設けられている。回路パターン２は、半導体装置５０１の電気回路の一部をなしている。回路パターン３は、絶縁板１２の上面Ｓ２上に回路パターン２から離れて設けられている。回路パターン３は、回路パターン２よりも厚い実装領域３Ｍを有する。実装領域３Ｍは０．６ｍｍ以上の厚さを有することが好ましい。回路パターン２〜４は、一の導体材料から作られており、たとえば銅またはアルミニウムによって作られている。なお本実施の形態においては回路パターン３は、図２に示すように平坦な表面を有しており、よって実装領域３Ｍを表す破線（図３）に沿った特段の形状は存在しない。
回路パターン４は体積Ｖ１（第１の体積）を有し、回路パターン２は体積Ｖ２（第２の体積）を有し、回路パターン３は体積Ｖ３（第３の体積）を有する。体積Ｖ２および体積Ｖ３の和は体積Ｖ１の７０％以上１３０％以下である。
半導体チップ１は回路パターン３の実装領域３Ｍ上に設けられている。具体的には、半導体チップ１は実装領域３Ｍ上に、はんだ部１１によって接合されている。半導体チップ１は典型的には、図３に示すように、４つの角を有する四角形状を有する。
ケース９は、絶縁体から作られており、好ましくは樹脂から作られており、たとえばＰＰＳ（Ｐｏｌｙ Ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ Ｓｕｌｆｉｄｅ：ポリフェニレンサルファイド）またはＰＢＴ（Ｐｏｌｙｂｕｔｙｌｅｎｅ Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ：ポリブチレンテレフタレート）から作られている。
信号端子７および主端子８はケース９に取り付けられている。信号端子７および主端子８は、半導体装置５０１の外部との電気的接続のためのものである。具体的は、信号端子７は、半導体チップ１の制御信号の入力のためのものであり、主端子８は、半導体チップ１の主電圧または主電流の入出力のためのものである。
封止部１０はケース９内で、半導体チップ１、回路パターン２および３を封止している。封止部１０は、絶縁板１２の線膨張係数よりも大きい線膨張係数を有する絶縁体から作られており、たとえばシリコーンゲル（線膨張係数２００〜３５０ｐｐｍ／Ｋ程度）またはエポキシ樹脂から作られている。好ましくは、封止部１０は、９ｐｐｍ／Ｋ以上１２ｐｐｍ／Ｋ以下の線膨張係数を有する熱硬化性エポキシ樹脂から作られている。
ワイヤー６は封止部１０内を通っている。ワイヤー６は、半導体チップ１と、信号端子７、主端子８および回路パターン２の少なくともいずれかとを短絡している。
（比較例）
図４を参照して、比較例の半導体装置５００の回路基板１００には、上記回路パターン３に代わり、回路パターン３Ｚが設けられている。回路パターン３Ｚおよび２は、絶縁板１２にろう剤によって接着された均一な厚さの金属板をエッチングすることによって形成されている。よって回路パターン３Ｚは、回路パターン２の厚さと同じ厚さを有する。またこのエッチングを容易なものとするため、その厚さは０．５ｍｍ以下とされている。
図５は、回路パターン３Ｚ（回路基板１００の上面）上に半導体チップ１が取り付けられた箇所から、回路パターン４（回路基板１００の下面）上に冷却フィン（図示せず）が取り付けられた箇所への放熱経路における過渡熱抵抗と、半導体チップ1の発熱時間との関係の実験結果を示す。たとえば０．１秒の過渡熱抵抗は３．５Ｋ／Ｗであった。この値を低減する方法として、一般に、ヒートスプレッダーとしての機能を有する別部品を回路パターン３上にはんだを介して搭載したり、あるいは、回路パターン４上にはんだを介して銅ベース板を設けたりすることが行われている。
また回路基板は、一般に、窒化アルミニウム（線膨張係数４．５ｐｐｍ／Ｋ程度）または窒化珪素（線膨張係数：２．５ｐｐｍ／Ｋ程度）などの絶縁板を銅（線膨張係数１８ｐｐｍ／Ｋ程度）などの回路パターンで挟む構成を有する。つまり、絶縁板と回路パターンとの間には線膨張係数のミスマッチが存在する。よって温度変化に起因した応力、すなわち熱応力、が発生し得る。回路基板１００の上面と下面との間で熱応力のアンバランスが生じると回路基板１００には反りが発生する。回路パターン２および３Ｚを含むパターンは、半導体装置５００に求められる回路に応じてパターニングされていることから、絶縁板１２の上面の大部分に存在しているというわけではない。一方、回路パターン４は、絶縁板１２の裏面のほぼ全体を単純に覆うようなパターン（べたパターン）を有する。このように、絶縁板１２の下面上の回路パターン４の面積と、絶縁板１２の上面上の回路パターン２および３Ｚの面積との間の差異が大きいため、回路基板１００には熱応力に起因した反りが生じやすい。
（実施例）
図６は、半導体装置５０１（図１）についての、回路パターン３（回路基板１０１の上面）上に半導体チップ１が取り付けられた箇所から、回路パターン４（回路基板１０１の下面）上に冷却フィン（図示せず）が取り付けられた箇所への放熱経路における過渡熱抵抗と、半導体チップ1の発熱時間との関係の実験結果を示す。半導体装置５０１は半導体装置５００に比して、より低い過渡熱抵抗を有していた。たとえば０．１秒において、半導体装置５００は過渡熱抵抗３．５Ｋ／Ｗ（図５）を有していた一方、半導体装置５０１は過渡熱抵抗３．０Ｋ／Ｗ（図６）を有していた。
図７は、回路パターン４の体積Ｖ１に対する回路パターン２の体積Ｖ２および回路パターン３の体積Ｖ３の和の比率と、半導体チップ１による昇温が生じている際の絶縁板１２の反り量との関係の実験結果を示す。ここで、正の反りは絶縁板１２の下面側（回路パターン４側）への反りを表し、負の反りは絶縁板１２の上面側（回路パターン２および３側）への反りを表す。比率を７０％以上とすることで、正の反りを顕著に抑制することができることがわかった。また比率を１３０％以下とすることで、負の反りを顕著に抑制することができることがわかった。
（効果のまとめ）
本実施の形態によれば、半導体チップ１が回路パターン２よりも厚い実装領域３Ｍ上に配置されていることにより、実装領域３Ｍが回路パターン２の厚さと同じ厚さを有する場合に比して、放熱性を高めることができ、特に過渡熱抵抗を抑えることができる。また絶縁板１２の下面Ｓ１上に設けられた回路パターン２および回路パターン３の体積の和Ｖ２＋Ｖ３が、絶縁板１２の下面Ｓ１上に設けられた回路パターン４の体積Ｖ１の７０％以上１３０％以下であることにより、絶縁板１２の下面Ｓ１側の熱応力と上面Ｓ２側の熱応力との差異が小さくなる。これにより、絶縁板１２の反りを抑えることができる。以上から、高い放熱性を有し、かつ熱応力に起因した反りを抑えることができる半導体装置５０１が得られる。
特に、回路パターン４上に冷却フィンが取り付けられている場合、回路基板１０１の反りによって回路パターン４と冷却フィンとの間に隙間が生じると、冷却フィンによる冷却効果が低下する。よって上述したように反りを抑えることで、冷却フィンの冷却効果の低下を抑えることができる。
回路パターン２は実装領域３Ｍよりも薄い。これにより、回路パターン２も実装領域３Ｍの厚さと同じ厚さを有する場合に比して、製造コストを抑えることができる。
回路パターン３の実装領域３Ｍが０．６ｍｍ以上の厚さを有する場合、回路基板１０１の放熱性がより十分に高められる。
封止部１０が９ｐｐｍ／Ｋ以上１２ｐｐｍ／Ｋ以下の線膨張係数を有する熱硬化性エポキシ樹脂から作られている場合、封止部１０の線膨張係数を、回路パターン４、回路パターン２、回路パターン３および絶縁板１２を有する回路基板１０１の線膨張係数により近いものとすることができる。これにより、温度変化に起因した半導体装置５０１の反りを抑えることができる。
ワイヤー６は、その全体が封止部１０中に拘束されているので、熱膨張収縮時に封止部１０と共に伸縮する。一方でワイヤー６は、回路基板１０１に接合された端部を有する。このため、半導体チップ１の発熱または半導体装置５０１の保存温度の変動に起因した熱膨張収縮が生じる際に、回路基板１０１および封止部１０の間の線膨張係数の相違に起因して、ワイヤー６の端部に大きな応力が加わり得る。上記のように封止部１０が９ｐｐｍ／Ｋ以上１２ｐｐｍ／Ｋ以下の線膨張係数を有する熱硬化性エポキシ樹脂から作られている場合、上述した線膨張係数の相違が抑えられるので、ワイヤー６の端部に加わる応力の大きさを抑えることができる。よってワイヤー６の接合部の寿命が向上する。
＜実施の形態２＞
図８を参照して、本実施の形態の半導体装置の回路基板１０２においては、回路パターン３は、実装領域３Ｍの外側に段差３Ｓを有する。図示されているように、段差３Ｓによって、実装領域３Ｍの外側から実装領域３Ｍに向かって回路パターン３の表面高さが高くなっていることが好ましい。言い換えれば、回路パターン３において、実装領域３Ｍの外側に位置する外周部に比して実装領域３Ｍがより厚くなっていることが好ましい。なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
本実施の形態によれば、はんだ部１１（図１）によって接合されることになる半導体チップ１のはんだ付け時に、はんだの流れを段差３Ｓの箇所で止めることができる。これにより、実装領域３Ｍの周りに、はんだが不必要に拡がることが防止される。これにより、はんだ部１１と封止部１０とによる密着性の低い界面の面積を抑えることができる。よって回路パターン３からの封止部１０の剥離が抑制される。
＜実施の形態３＞
図９〜図１１を参照して、本実施の形態の半導体装置の回路基板１０３においては、回路パターン３は実装領域３Ｍの外側に凹部を有する。具体的には回路パターン３は実装領域３Ｍの外側にディンプル部５ａを有する。ディンプル部５ａは、深さ方向において逆テーパ形状（図１１におけるディンプル部５ａの下部を参照）を有することが好ましい。ディンプル部５ａ内には封止部１０（図１）が入り込んでいる。なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
本実施の形態によれば、封止部１０の形成の際、具体的には、封止部１０の形成のために回路基板１０３上に樹脂が流し込まれる際、封止部１０がディンプル部５ａ内に入り込む。これにより、回路パターン３からの封止部１０の剥離が抑制される。ディンプル部５ａが逆テーパ形状を有する場合、そのアンカー効果により、剥離がより確実に抑制される。
また半導体チップ１の発熱、または半導体装置の保存温度の変動に起因した、回路パターン３のエッジ近傍での熱応力が、実装領域３Ｍ周囲に設けられたディンプル５ａ部によって緩和される。これにより、回路パターン３のエッジにかかる応力が緩和される。よって、このような応力が繰り返し加わることに起因した回路パターン３の剥離の発生を抑えることができる。
ワイヤー６（図１）は、その全体が封止部１０（図１）中に拘束されているので、熱膨張収縮時に封止部１０と共に伸縮する。一方でワイヤー６は、回路基板１０３（図９）に接合された端部を有する。このため、半導体チップ１の発熱または半導体装置の保存温度の変動に起因した熱膨張収縮が生じる際に、回路基板１０３および封止部１０の間の線膨張係数の相違に起因して、ワイヤー６の端部に大きな応力が加わり得る。上記のようにディンプル部５ａにより封止部１０と回路基板１０３とが互いに拘束されることで、半導体装置の温度が変化することによる熱膨張収縮の際に、封止部１０の伸縮と、回路基板１０３の伸縮との相違が抑えられる。これにより、ワイヤー６の端部に加わる応力の大きさを抑えることができる。よってワイヤー６の接合部の寿命が向上する。
＜実施の形態４＞
図１２を参照して、本実施の形態の半導体装置の回路基板１０４においては、回路パターン３の凹部は、前述したディンプル部５ａに加えて、半導体チップ１の４つの角のそれぞれに沿って延在する４つのスリット部１３ａを含む。なお平面視（図１２）において、半導体チップ１とスリット部１３ａとの間には間隔が設けられていてもよい。
なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態３の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
本実施の形態によれば、はんだ部１１（図１）によって接合されることになる半導体チップ１のはんだ付け時に、半導体チップ１の４つの角の近傍において、はんだの流れをスリット部１３ａ（図１２）で止めることができる。これにより、回路パターン３上における半導体チップ１の実装位置のずれが抑制される。またスリット部１３ａにより、実装領域３Ｍ周囲での応力が緩和される。これにより、回路パターン３のパターンのエッジにかかる応力が緩和され得る。
なおこれら効果は、ディンプル部５ａがなくても得られるものである。
＜実施の形態５＞
図１３〜図１６を参照して、本実施の形態の半導体装置の回路基板１０４においては、回路パターン３の凹部は、複数のディンプル部５ｂと、スリット部１３ｂとを有する。複数のディンプル部５ｂは、回路パターン３の縁から離れて設けられている。スリット部１３ｂは、複数のディンプル部５ｂを互いにつないでおり、回路パターン３の縁まで延びている。なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
本実施の形態によれば、封止部１０（図１）の形成の際、具体的には、封止部１０の形成のために回路基板１０５上に樹脂が流し込まれる際、ディンプル部５ｂ内の空気がスリット部１３ｂを通って抜けやすくなる。これにより封止部１０がディンプル部５ｂ内により十分に入り込む。よって回路パターン３からの封止部１０の剥離が、より十分に抑制される。この効果は、封止部１０がエポキシ樹脂から作られる場合に特に大きい。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
Ｓ１ 下面（第１の面）、Ｓ２ 上面（第２の面）、Ｖ１〜Ｖ３ 第１〜第３の体積、１ 半導体チップ、２ 回路パターン（第２の導体層）、３ 回路パターン（第３の導体層）、４ 回路パターン（第１の導体層）、３Ｍ 実装領域、３Ｓ 段差、５ａ，５ｂ ディンプル部、６ ワイヤー、７ 信号端子（外部端子）、８ 主端子（外部端子）、９ ケース、１０ 封止部、１１ はんだ部、１２ 絶縁板、１３ａ，１３ｂ スリット部、１０１〜１０５ 回路基板、５０１ 半導体装置。

Claims (8)

  1. 半導体装置であって、
    ケースと、
    前記ケースに取り付けられた外部端子と、
    第１の面と、前記第１の面と反対の、前記ケースに囲まれた第２の面とを有する絶縁板と、
    前記絶縁板の前記第１の面上に設けられ、一の導体材料から作られ、第１の体積を有する第１の導体層と、
    前記絶縁板の前記第２の面上に設けられ、前記一の導体材料から作られ、第２の体積を有する第２の導体層と、
    前記絶縁板の前記第２の面上に前記第２の導体層から離れて設けられ、前記一の導体材料から作られ、第３の体積を有する第３の導体層とを備え、前記第３の導体層は、前記第２の導体層よりも厚い実装領域を有し、前記第２の体積および前記第３の体積の和は前記第１の体積の７０％以上１３０％以下であり、前記半導体装置はさらに
    前記第３の導体層の前記実装領域上に設けられた半導体チップと、
    絶縁体から作られ、前記ケース内で前記半導体チップを封止する封止部と、
    前記封止部内を通り、前記半導体チップと、前記外部端子および前記第２の導体層の少なくともいずれかとを短絡する配線部と
    を備える半導体装置。
  2. 前記第３の導体層の前記実装領域は０．６ｍｍ以上の厚さを有する、請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記第３の導体層は前記実装領域の外側に段差を有する、請求項１または２に記載の半導体装置。
  4. 前記第３の導体層は前記実装領域の外側に凹部を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置。
  5. 前記凹部は、深さ方向において逆テーパ形状を有する部分を含む、請求項４に記載の半導体装置。
  6. 前記半導体チップは、４つの角を有する四角形状を有し、
    前記第３の導体層の前記凹部は、前記４つの角のそれぞれに沿って延在する４つのスリット部を含む、請求項４または５に記載の半導体装置。
  7. 前記第３の導体層の前記凹部は、前記第３の導体層の縁から離れて設けられた複数のディンプル部と、前記複数のディンプル部を互いにつなぎ前記第３の導体層の縁まで延びるスリット部とを含む、請求項４または５に記載の半導体装置。
  8. 前記封止部は、９ｐｐｍ／Ｋ以上１２ｐｐｍ／Ｋ以下の線膨張係数を有する熱硬化性エポキシ樹脂から作られている、請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体装置。
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