JP2018032742A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子の表面電極を接合するはんだ層に生じる熱応力を低減する。【解決手段】半導体装置は、半導体素子１０と導電板２０を備えている。半導体素子１０は、ほぼ矩形の表面を備えており、表面の一辺に沿った位置に信号電極１８群が形成されており、信号電極１８群を避けた位置に表面電極１２が形成されており、裏面に裏面電極が形成されている。導電板２０は、表面電極１２と裏面電極の少なくとも一方に導通しており、他の部材に向けて延びるバスバー２４を備えている。表面電極１２は円弧上に面取りされた四隅を備えており、その四隅は、信号電極１８群からも遠くてバスバー２４からも遠い一隅４１と、その一隅４１よりも信号電極１８群またはバスバー２４に近い三隅４２，４３，４４に分類可能である。一隅４１の曲率半径は、三隅４２，４３，４４の曲率半径より大きい。表面電極１２を接合するはんだ層３４の輪郭は、表面電極１２の輪郭に対応している。【選択図】図３

Description

本明細書に開示する技術は、半導体装置に関する。

ほぼ直方体の形状をしている半導体素子であり、表面と裏面の各々に電極が形成されており、半導体素子の内部に形成されている半導体構造によって、表面電極と裏面電極の間を低抵抗な状態と高抵抗な状態との間で切り換える半導体素子が知られている。上記の半導体素子の表面には、種々の電極が形成されており、例えば、抵抗状態を指示する電圧を入力する電極、温度対応電圧を出力する電極、電流値対応電圧を出力する電極等が用意されている。本明細書では、指示電圧入力電極、温度対応電圧出力電極、あるいは電流値対応電圧出力電極等を信号電極と総称する。また、信号電極が形成されている側を表面という。半導体素子の表面には、表面電極と信号電極群が形成されており、半導体素子の裏面には、裏面電極が形成されている。

表面電極は個々の信号電極に比して大面積となっている。平面視するとほぼ矩形をしている半導体素子の表面には、一辺に沿って信号電極群が配置されており、その他の範囲に表面電極が広く形成されている。表面電極と裏面電極は、はんだ層によって導電材に接合される。表面電極と裏面電極の少なくとも一方は、直接ないし導電部材を介して、導電板にはんだ接合される。その導電板は、半導体素子から長く延びて負荷ないし電源と半導体素子を接続するバスバーを備えている。

半導体素子が動作すると、表面電極と裏面電極の間に電流が流れる状態と流れない状態を切り換える。そのために半導体素子が動作すると半導体素子が発熱する。それにともなってはんだ層も加熱される。はんだ層は、半導体素子が動作すると加熱され、半導体素子が動作を終了すると冷却される。はんだ層は、熱応力のサイクルに晒される。はんだ層には熱応力のサイクルに耐える耐久性が必要とされる。

表面電極は、平面視するとほぼ矩形をしている表面に形成されており、その輪郭はほぼ矩形をしている。すなわち、四隅を備えている。半導体層に発達する熱応力は、隅部の近傍において大きな応力となる。このため、隅部の近傍に位置するはんだ層に生じる熱応力のピーク値を低減する技術が必要とされている。例えば、特許文献１の技術では、表面電極の四隅の全部で面取りし、隅部の近傍部で発達する熱応力の集中度を緩和する。

特開２００４−１３４７４６号公報

上記したように、表面電極は、一辺に沿って形成されている信号電極群を避けた範囲に形成されている。この場合、表面電極の四隅のうち、信号電極群に近い二隅は冷却されやすいのに対して、信号電極群から遠い二隅は冷却されにくいという性質があり、近い二隅より遠い二隅に大きな熱応力が発達しやすい。過大な熱応力が発達するのを避けるのに必要な面取りの大きさは、近い二隅と遠い二隅で相違する。また、表面電極と裏面電極の少なくとも一方がはんだ接合される導電板は、バスバーを備えている。その場合、表面電極の四隅のうち、バスバーに近い二隅は冷却されやすいのに対して、バスバーから遠い二隅は冷却されにくいという性質があり、バスバーに近い二隅より遠い二隅に大きな熱応力が発達しやすい。過大な熱応力が発達するのを避けるのに必要な面取りの大きさは、バスバーに近い二隅と遠い二隅とでは相違する。

しかしながら、特許文献１の技術では、表面電極の四隅の全部を一様に面取りする。四隅の全部を一様に面取りすると、信号電極群から近い隅部やバスバーから近い隅部では、表面電極の面積を不必要に狭める。このため、はんだ層の面積を狭め、表面電極と導電材間の熱抵抗を上げることになる。

本明細書では、半導体素子を接合するはんだ層に生じる熱応力を低減する技術を開示する。

本明細書に開示する半導体装置は、半導体素子と導電板を備えている。半導体素子は、ほぼ矩形の表面を備えており、その表面の一辺に沿った位置に信号電極群が形成されており、その信号電極群を避けた位置に表面電極が形成されており、裏面に裏面電極が形成されている。導電板は、表面電極と裏面電極の少なくとも一方に導通しており、他の部材に向けて延びるバスバーを備えている。表面電極は、円弧上に面取りされた四隅を備えており、信号電極群からもバスバーからも遠い一隅と、その一隅よりも信号電極群またはバスバーに近い三隅に分類可能である。前記一隅の曲率半径は、前記三隅の曲率半径より大きい。表面電極を接合するはんだ層の輪郭は、表面電極の輪郭に対応している。すなわち、はんだ層も四隅を持ち、信号電極群からもバスバーからも遠い一隅の曲率半径は、信号電極群またはバスバーに近い三隅の曲率半径より大きい。

上記の半導体装置では、表面電極の四隅のうち、信号電極群からも遠くてバスバーからも遠い一隅の曲率半径が、その一隅よりも信号電極群またはバスバーのいずれかの一方に近い三隅の曲率半径より大きい。すなわち、表面電極の四隅のうち、最も冷却されにくい一隅の曲率半径が、他の三隅より大きい。このため、最も冷却されにくい一隅の近傍に位置するはんだ層に生じる応力集中を好適に緩和することができる。これに加えて、信号電極群からも遠くてバスバーからも遠い一隅の曲率半径より他の三隅の曲率半径が小さいため、他の三隅では表面電極の面積の減少を抑制することができる。このため、表面電極と導電材間の熱抵抗の増大を抑制することができる。したがって、はんだ層に生じる応力集中を緩和しつつ、表面電極と導電材間の熱抵抗の増大を抑制することができ、はんだ層に生じる熱応力を低減することができる。

実施例１に係る半導体装置の概略構成を示す分解斜視図。 実施例１に係る半導体装置の一部分の断面図。 実施例１に係る半導体装置が備えるリードフレームと半導体素子の概略構成を示す上面図。 実施例２に係る半導体装置の一部分の断面図。

図１は、実施例１の半導体装置２の分解斜視図である。図２は、半導体装置２のｙｚ平面における断面図である。図１に示すように、半導体装置２は、半導体素子１０と、リードフレーム２０ａ、２０ｂと、金属ブロック３０を備えている。半導体素子１０と金属ブロック３０は、リードフレーム２０ａ、２０ｂの間に挟まれている。すなわち、リードフレーム２０ａの上に半導体素子１０が配置され、半導体素子１０の上に金属ブロック３０が配置され、金属ブロック３０の上にリードフレーム２０ｂが配置されている。

半導体素子１０はほぼ直方体である。半導体素子１０の表面（すなわち、＋ｚ方向側）には、表面電極（エミッタ電極）１２と、５つの信号電極１８が露出している。図２に示すように、半導体素子１０の裏面（すなわち、−ｚ方向側）には、裏面電極（コレクタ電極）１６が露出している。エミッタ電極１２及び信号電極１８と、コレクタ電極１６との間には、半導体層１４が形成されている。半導体層１４内に、エミッタ電極１２とコレクタ電極１６の間を低抵抗な状態とするか高抵抗な状態とするかを切り換える半導体構造が形成されている。エミッタ電極１２及び信号電極１８のいずれも露出していない半導体素子１０の表面は、図示しない絶縁層で被覆されている。

５つの信号電極１８は、半導体素子１０の表面の一辺１１に沿って配置されている。辺１１は、半導体素子１０のほぼ矩形の表面の一辺であり、図１に示すように、ｘ方向に平行で、かつ、−ｙ方向側の辺である。５つの信号電極１８は、それぞれ異なる種類の電圧を出入力する。本実施例では、半導体素子１０の表面には５つの信号電極１８が露出しているが、このような構成に限定されるものではなく、必要に応じてその種類や数を変更することができる。信号電極１８の種類は、例えば、半導体素子１０を低抵抗状態とするか高抵抗状態とするかを指示する指示電圧を入力する電極、半導体素子１０の温度を示す温度対応電圧を出力する電極、半導体素子１０を流れる電流値を示す電流値対応電圧を出力する電極等がある。信号電極１８は、図示しないワイヤによって他の部材と接続されている。信号電極１８とワイヤは、例えば、ワイヤボンディングによって接続されている。

エミッタ電極１２は、半導体素子１０の表面のうち、信号電極１８群が配置されている位置を避けて配置されている。すなわち、エミッタ電極１２は、信号電極１８が沿うように配置される一辺１１から、信号電極１８群より離れた位置に配置される。エミッタ電極１２は、信号電極１８より大きく形成される。なお、エミッタ電極１２が半導体素子１０の表面に露出している形状（ｚ方向から見た形状）については後述する。図２に示すように、エミッタ電極１２と信号電極１８は、半導体素子１０の表面に埋め込まれており、エミッタ電極１２、信号電極１８、それ以外の範囲を覆う絶縁部材によって形成される表面は、ほぼ平坦となっている。

リードフレーム２０ａ、２０ｂは、平板状の導電部材である。リードフレーム２０ａは、ほぼ矩形の本体部２２ａと、本体部２２ａと他の部材とを接続するバスバー２４ａを備えている。図１では、バスバー２４ａは、ｘ方向と平行で、かつ、本体部２２ａの＋ｙ方向の一辺２６ａから延びている。また、バスバー２４ａは、辺２６ａの中心より−ｘ方向側で本体部２２ａと接続している。バスバー２４ａは、半導体装置２から長く延びて、例えば、負荷や電源と接続される。リードフレーム２０ｂは、リードフレーム２０ａとほぼ同一の形状であり、半導体装置２を平面視する（ｚ方向から見る）と、リードフレーム２０ａ、２０ｂはほぼ一致する。なお、本実施例では、リードフレーム２０ａ、２０ｂがいずれもバスバーを備えているが、このような構成に限定されない。例えば、２枚のリードフレームのうちの一方がバスバーを備えており、他方はバスバーを備えていない構成であってもよい。

金属ブロック３０は、ほぼ直方体であり、銅（Ｃｕ）で形成されている。金属ブロック３０のｚ方向に垂直な面は、後述するエミッタ電極１２の露出している形状とほぼ同一となっている。金属ブロック３０は、スペーサである。金属ブロック３０を配置することによって信号電極１８群とリードフレーム２０ｂとの間に空間ができる。これにより、信号電極１８群にワイヤを接続することができる。

半導体素子１０と、リードフレーム２０ａ、２０ｂと、金属ブロック３０の間は、それぞれはんだ接合されている。図２に示すように、コレクタ電極１６は、はんだ層３６を介してリードフレーム２０ａに接続されている。エミッタ電極１２は、はんだ層３４を介して金属ブロック３０に接続されている。金属ブロック３０は、はんだ層３２を介してリードフレーム２０ｂに接続されている。半導体素子１０の表面のうち、エミッタ電極１２が露出する部分のみが金属ブロック３０と接合されている。はんだ層３４の輪郭は、エミッタ電極１２が露出する範囲の輪郭とほぼ一致する。また、はんだ層３２の輪郭は、金属ブロック３０のｚ方向に垂直な面の輪郭とほぼ一致する。

半導体素子１０は、はんだ層３４と金属ブロック３０とはんだ層３２を介してリードフレーム２０ｂに接続されており、はんだ層３６を介してリードフレーム２０ａに接続されている。半導体素子１０の熱は、はんだ層３４と金属ブロック３０とはんだ層３２を介してリードフレーム２０ｂに伝達され、はんだ層３６を介してリードフレーム２０ａに伝達される。リードフレーム２０ａ、２０ｂは、図示しない絶縁板を介して冷却器に接続している。冷却器によって、半導体素子１０を冷却することができる。

エミッタ電極１２の形状について説明する。図３は、リードフレーム２０ａと半導体素子１０の上面図である。なお、説明の都合上、はんだ層３４と金属ブロック３０とはんだ層３２とリードフレーム２０ｂの図示は省略している。

図３に示すように、エミッタ電極１２が露出する範囲の輪郭は、ほぼ矩形状となっている。すなわち、エミッタ電極１２の輪郭は、四隅４１、４２、４３、４４を備えている。隅４１は、図３の右上の一隅であり、エミッタ電極１２の＋ｘ方向で、かつ、＋ｙ方向に位置している。すなわち、隅４１は、半導体素子１０の一辺１１の近傍に配置される信号電極１８群から遠く、かつ、バスバー２４ａからも遠い。隅４２は、図３の左上の一隅であり、エミッタ電極１２の−ｘ方向で、かつ、＋ｙ方向に位置している。すなわち、隅４２は、信号電極１８群からは遠いが、バスバー２４ａに近い。隅４３は、図３の右下の一隅であり、エミッタ電極１２の＋ｘ方向で、かつ、−ｙ方向に位置している。すなわち、隅４３は、バスバー２４ａからは遠いが、信号電極１８群に近い。隅４４は、図３の左下の一隅であり、エミッタ電極１２の−ｘ方向で、かつ、−ｙ方向に位置している。すなわち、隅４４は、信号電極１８群に近く、かつ、バスバー２４ａにも近い。四隅４１、４２、４３、４４の各々は、面取りされており、円弧状になっている。隅４１の曲率半径は、他の三隅４２、４３、４４の曲率半径より大きくされている。

エミッタ電極１２の四隅は、面取りされていることにより、エミッタ電極１２に隣接するはんだ層３４の隅部の熱応力の集中を緩和することができる。上述したように、エミッタ電極１２はほぼ矩形となっている。エミッタ電極１２の隅部が面取りされていないと、はんだ層３４に発達する熱応力は、隅部（頂点）の近傍で大きくなる。本実施例のエミッタ電極１２では、四隅４１、４２、４３、４４が面取りされているため、隅部の熱応力の集中を緩和することができる。

また、エミッタ電極１２の四隅４１、４２、４３、４４のうち、隅４１の曲率半径が他の三隅４２、４３、４４の曲率半径より大きくされている。上述したように、隅４１は、信号電極１８群からも遠く、かつ、バスバー２４ａからも遠くなっている。エミッタ電極１２と半導体素子１０の一辺１１の間に信号電極１８群が配置されていることにより、信号電極１８群に近い隅４３、４４は、信号電極１８群から遠い隅４１、４２より熱が拡散されやすい。また、バスバー２４ａに近い隅４２、４４は、バスバー２４ａから遠い隅４１、４３より熱が拡散されやすい。したがって、辺１１から遠く、かつ、バスバー２４ａからも遠い隅４１は、４つの隅４１、４２、４３、４４のうちでは、最も熱が拡散されにくい。すなわち、最も熱応力が集中しやすい。本実施例のエミッタ電極１２は、隅４１の曲率半径が他の三隅４２、４３、４４の曲率半径より大きくされているため、熱応力の集中を効果的に緩和することができる。

また、三隅４２、４３、４４の曲率半径は、隅４１の曲率半径より小さくされている。隅部を面取りすると、熱応力の集中を緩和できる一方、エミッタ電極１２の面積が減るため、半導体素子１０とリードフレーム２０ａの間の熱抵抗が増大する。本実施例のエミッタ電極１２は、最も熱応力が集中しやすい隅４１の曲率半径を大きくしつつ、隅４１と比較して熱応力が集中しにくい三隅４２、４３、４４の曲率半径を小さくしている。これによって、面取りすることで生じる電極面積の減少量を抑えることができる。すなわち、エミッタ電極１２の面積の減少を抑えることができる。このため、熱応力の集中を効果的に緩和すると共に、半導体素子１０とリードフレーム２０ａの間の熱抵抗の増大を抑制することができる。したがって、はんだ層３４に生じる熱応力を低減することができる。

上述したように、本実施例の金属ブロック３０のｚ方向に垂直な面の形状は、エミッタ電極１２の形状とほぼ一致している。このため、はんだ層３２においても、熱応力の集中を効果的に緩和すると共に、半導体素子１０とリードフレーム２０ａの間の熱抵抗の増大を抑制することができる。

なお、本実施例では、隅４１以外の三隅４２、４３、４４の間の曲率半径の差については言及していないが、例えば、隅４４の曲率半径が、隅４２、４３の曲率半径より小さくてもよい。上述したように、隅４４は、信号電極１８群に近く、かつ、バスバー２４ａに近い。このため、隅４４は、信号電極１８群から遠い隅４２、あるいはバスバー２４ａから遠い隅４３より冷却されやすい。したがって、隅４４の曲率半径を隅４２、４３の曲率半径より小さくすることができる。

図４を参照して、半導体装置１０２を説明する。図４に示すように、半導体装置１０２は、リードフレーム１２０を備えており、リードフレーム１２０がはんだ層１３２を介してエミッタ電極１２に接続している。なお、半導体装置１０２は、実施例１の半導体装置２の金属ブロック３０を備えておらず、金属ブロック３０を介することなくリードフレーム１２０とエミッタ電極１２が接続したものであり、その他の構成は略同一となっている。そこで、実施例１の半導体装置２と同一の構成については、その説明を省略する。

リードフレーム１２０は、本体部１２２と、本体部１２２の中央に配置される凹部１２１を備えている。凹部１２１は、平面視した（ｚ方向から見た）とき、エミッタ電極１２とほぼ一致する位置に形成される。凹部１２１は、半導体装置１０２の外部から半導体素子１０に向かって突出している。凹部１２１の底部は、エミッタ電極１２の形状とほぼ一致した形状となっている。なお、本体部１２２は、凹部１２１が設けられている部分以外については、実施例１の本体部２２と同一の形状である。

半導体装置１０２は、実施例１でスペーサとして用いられた金属ブロック３０を備えていない。しかし、リードフレーム１２０が凹部１２１を備えることによって、信号電極１８とリードフレーム１２０の間に空間を確保することができる。このため、信号電極１８にワイヤを接続することができる。

半導体装置１０２においても、エミッタ電極１２の一隅４１の曲率半径は、他の三隅４２、４３、４４の曲率半径より大きくされている。さらに、エミッタ電極１２にはんだ層１３２を介して接続される凹部１２１の底部の形状は、エミッタ電極１２の形状とほぼ一致している。このため、半導体装置１０２においても、熱応力の集中を効果的に緩和すると共に、半導体素子１０とリードフレーム１２０の間の熱抵抗の増大を抑制することができる。したがって、はんだ層１３２に生じる熱応力を低減することができる。

実施例で説明した半導体装置に関する留意点を述べる。実施例のエミッタ電極１２が、請求項の「表面電極」の一例であり、実施例のコレクタ電極１６が、請求項の「裏面電極」の一例であり、実施例のリードフレーム２０ａ、２０ｂ、１２０が、請求項の「導電板」の一例であり、実施例の隅４１が、請求項の「一隅」の一例であり、実施例の隅４２、４３、４４が、請求項の「三隅」の一例である。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：半導体装置
１０：半導体素子
１２：エミッタ電極
１４：半導体層
１６：コレクタ電極
１８：信号電極
２０ａ、２０ｂ：リードフレーム
２２ａ：本体部
２４ａ：バスバー
３０：金属ブロック
３２、３４、３６：はんだ層
４１、４２、４３、４４：エミッタ電極の隅部

Claims (1)

1. ほぼ矩形の表面を備えており、その表面の一辺に沿った位置に信号電極群が形成されており、その信号電極群を避けた位置に表面電極が形成されており、裏面に裏面電極が形成されている半導体素子と、
   前記表面電極と前記裏面電極の少なくとも一方に導通しており、他の部材に向けて延びるバスバーを備えている導電板を備えており、
   前記表面電極は円弧上に面取りされた四隅を備えており、前記四隅は、前記信号電極群からも遠くて前記バスバーからも遠い一隅と、前記一隅よりも前記信号電極群または前記バスバーに近い三隅に分類可能であり、
   前記一隅の曲率半径が前記三隅の曲率半径より大きく、
   前記表面電極を接合するはんだ層の輪郭が前記表面電極の輪郭に対応していることを特徴とする半導体装置。
   
   

Images