JP2019087669A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】導電ブロックと導体板の間の平行度が高い半導体装置を提供する。【解決手段】半導体素子と、半導体素子の面電極に接合されている導電ブロックと、導電ブロックにはんだ層を介して接合されている導体板を備えている。導体板には導電ブロックを一巡する溝が設けられており、その溝内ではんだが硬化している。溝には、導電ブロックからみて溝の中心（溝の横断面を観測したときの対称軸）よりも遠位側に酸化層が形成されており、溝内のはんだは前記遠位側に膨出する凸形状をしている。はんだ接合後の導電ブロックと導体板の平行度が高い。【選択図】図２

Description

本明細書は、半導体装置を開示する。

特許文献１に、半導体素子と導電ブロックと導体板を、その順序で積層した半導体装置が開示されている。半導体素子は面電極を備えており、その面電極に導電ブロックがはんだ層によって接合されている。導電ブロックと導体板も、はんだ層によって接合されている。導体板の導電ブロック接合面には、導電ブロックを一巡する溝が設けられている。その溝には、導電ブロックと導体板をはんだ接合した際に導電ブロックと導体板の間から漏れ出たはんだが流入して硬化している。

特開２０１５−０５３３４３号公報

特許文献１の技術では、溝内に流入した液状のはんだの表面形状の安定性が低く、導電ブロックを一巡する溝の長さに沿って観察したときに、液状はんだの断面が一様形状とならない。すなわち、溝の長手方向の位置によって液状のはんだの断面形状が変化する。溝内に漏れ出たはんだが硬化する際には体積変化がおこり、その体積変化が導電ブロックと導体板の間で硬化するはんだ層の厚みに影響する。はんだ層の厚みに与える影響は、溝内に漏れ出た液状はんだの表面形状によって変化する。特許文献１の技術では、溝の長手方向の位置（すなわち導電ブロックを一巡する輪郭上の位置）によって、溝内に漏れ出たはんだが硬化する際に導電ブロックと導体板の間で硬化するはんだ層の厚みに与える影響の大きさが変化する。この結果、導電ブロックと導体板との間の平行度が損なわれることがある。

本明細書では、溝内に流入した液状はんだの形状安定性が高く、はんだ接合後における導電ブロックと導体板の平行度が高い半導体装置を開示する。

本明細書が開示する半導体装置は、半導体素子と、半導体素子に接合されている導電ブロックと、導電ブロックにはんだ層を介して接合されている導体板を備えている。半導体素子には平面状に延びている電極が形成されており、導電ブロックはその電極に接合されている。導電ブロックの反対側の面（半導体素子が接合されていない側の面）に導体板が接合されている。導体板のうちの導電ブロックが接合されている面には、導電ブロックを一巡する溝が設けられている。その溝には、導電ブロック側からみて溝の中心よりも遠位側の少なくとも一部に酸化層が形成されている。溝内のはんだは、前記遠位側に膨出する凸形状を有している。

上記の半導体装置では、導電ブロックからみて溝の中心よりも遠位側の少なくとも一部に酸化層が形成されている。酸化層は液状はんだに濡れにくいために、導電ブロックに導体板をはんだ接合する工程で導電ブロックと導体板の間から漏れ出たはんだは、酸化層によってせき止められ、遠位側に膨出する凸形状を形成し、その形状下で硬化する。この場合、溝内に流入したはんだの表面形状の安定性が高く、導電ブロックを一巡する溝の長さに沿って観察したときに、液状はんだの断面形状の一様性が高い。そのために、溝内に漏れ出たはんだが硬化する際に導電ブロックと導体板の間で硬化するはんだ層の厚みに与える影響の大きさも一様化される。はんだ接合することで導電ブロックと導体板の間の平行度が損なわれることを抑制することができる。

なお、本明細書における「遠位側に膨出する凸形状」は、導電ブロックとはんだ層との接触範囲の外縁と、はんだ層と導体板との接触範囲の外縁を結ぶ直線よりも、半導体装置の中心から外側に向けて湾曲していることを意味する。

半導体装置の上面図を示す。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図を示す。 （ａ）、（ｂ）、（ｄ）は導体板を導電ブロックにはんだ接合する工程の一連の流れを示す。（ｃ）は、（ｂ）の符号ＩＩＩで示す範囲の拡大図である。 モールド樹脂を切削する工程を説明する説明図を示す。 本実施例と比較例の半導体装置の各部の厚みを示す。 参考例の上面側導体板に設けられている溝の拡大図を示す。

図面を参照して、実施例の半導体装置の説明をする。図１は、半導体装置１０の上面図である。また、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。半導体装置１０は、第１積層体２０と第２積層体４０とモールド樹脂３６を備える。第１積層体２０及び第２積層体４０は、モールド樹脂３６内に封止されている。図１及び図２に示すように、第１積層体２０の上面側導体板２２の上面と、第２積層体４０の上面側導体板４２の上面は、モールド樹脂３６から露出している。同様に、第１積層体２０の下面側導体板３４の下面と、第２積層体４０の下面側導体板５４の下面も、モールド樹脂３６から露出している。なお、半導体装置１０が備える積層体の数は２個に限られず、少なくとも１個の積層体を備えればよい。

第１積層体２０は、上面側導体板２２と、導電ブロック２６と、半導体素子３０と、下面側導体板３４と、が積層された構造を有する。半導体素子３０は、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、又はＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのパワー半導体素子である。また半導体素子３０は、例えばシリコン（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、又は窒化ガリウム（ＧａＮ）といった各種の半導体材料を用いて構成される。また、図示省略しているが、半導体素子３０の上面には、上面に沿って延びる上面電極が形成されている。一方、半導体素子３０の下面には、下面に沿って延びる下面電極が形成されている。上面電極及び下面電極は、例えばアルミニウム系又はその他の金属によって構成される。

導電ブロック２６は、例えば銅、又はその他の金属といった導電性を有する材料を用いて構成されている。導電ブロック２６は、概して板形状あるいはブロック形状の部材である。導電ブロック２６は、モールド樹脂３６内に位置している。導電ブロック２６の上面は、上面側導体板２２の下面と、はんだ層２４によって接合されている。また、導電ブロック２６の下面は、半導体素子３０の上面と、はんだ層２８によって接合されている。これにより、半導体素子３０は、導電ブロック２６を介して上面側導体板２２に電気的、及び、熱的に接続されている。

上面側導体板２２及び下面側導体板３４は、例えば銅、又は、その他の金属といった導電性を有する材料を用いて構成されている。上面側導体板２２は、概して板形状の部材である。上面側導体板２２の下面は、モールド樹脂３６の内部において、導電ブロック２６の上面とはんだ層２４を介して接合されている。これにより、上面側導体板２２は、導電ブロック２６を介して、半導体素子３０と電気的に接続されている。一方、上面側導体板２２の上面は、モールド樹脂３６の外部に露出している。上面側導体板２２は、導電ブロック２６を介して、半導体素子３０と熱的にも接続されており、半導体素子３０で発生した熱は上面側導体板２２の上面から半導体装置１０外へと放熱される。また、上面側導体板２２は、第２積層体４０の接合部５４ａと接合されている接合部２２ｂを備える。即ち、第１積層体２０は、接合部２２ｂを介して、第２積層体４０と電気的に接続されている。

上面側導体板２２には、導電ブロック２６が接合されている下面において導電ブロック２６を一巡する溝２２ａが設けられている。本実施例では、溝２２ａは、半円形の断面形状を有するが、変形例では、矩形形状等の他の形状を有してもよい。図１では、溝２２ａが設けられている部分を点線で示している。図２に示すように、溝２２ａには、はんだ層２４の一部が形成されており、溝２２ａ内のはんだは遠位側に膨出する凸形状を有する。図２では図示省略しているが、溝２２ａには、導電ブロック２６からみて溝２２ａの中心よりも遠位側に酸化層２３（図３（ｃ）を参照して後記する）が形成されている。溝２２ａ内のはんだは、はんだ層２４と上面側導体板２２との接触範囲の外縁において酸化層２３と接している。本実施例では、酸化層２３は、レーザ加工によって形成される。これにより、酸化層２３の表面に凹凸が形成され、モールド樹脂３６との密着性を向上できる。なお、酸化層２３は、レーザ加工に限られず、加熱等の他の方法によって形成されてもよい。

同様に、下面側導体板３４もまた、概して板形状の部材である。下面側導体板３４の上面は、モールド樹脂３６の内部において、半導体素子３０の下面とはんだ層３２を介して接合されている。これにより、下面側導体板３４は、半導体素子３０と電気的に接続されている。一方、下面側導体板３４の下面は、モールド樹脂３６の外部に露出している。下面側導体板３４は、半導体素子３０と熱的にも接続されており、半導体素子３０で発生した熱は下面側導体板３４の下面から半導体装置１０外へと放熱される。なお、本実施例では、上面側導体板２２が、「導体板」の一例である。

第２積層体４０は、上面側導体板４２と、導電ブロック４６と、半導体素子５０と、下面側導体板５４と、が積層された構造を有する。導電ブロック４６は、第１積層体２０の導電ブロック２６と同様であり、半導体素子５０は、半導体素子３０と同様である。導電ブロック４６の上面は、上面側導体板４２の下面と、はんだ層４４によって接合されている。また、導電ブロック４６の下面は、半導体素子５０の上面と、はんだ層４８によって接合されている。

上面側導体板４２及び下面側導体板５４は、例えば銅、又は、その他の金属といった導電性を有する材料を用いて構成されている。上面側導体板４２は、概して板形状の部材である。上面側導体板４２の下面は、モールド樹脂３６の内部において、導電ブロック４６の上面とはんだ層４４を介して接合されている。これにより、上面側導体板４２は、導電ブロック４６を介して、半導体素子５０と電気的に接続されている。一方、上面側導体板４２の上面は、モールド樹脂３６の外部に露出している。上面側導体板４２は、導電ブロック４６を介して、半導体素子５０と熱的にも接続されており、半導体素子５０で発生した熱は上面側導体板４２の上面から半導体装置１０外へと放熱される。

上面側導体板４２には、導電ブロック４６が接合されている下面において、導電ブロック４６を一巡する溝４２ａが設けられている。図１では、溝４２ａが設けられている部分を点線で示している。図２に示すように、溝４２ａには、はんだ層４４の一部が形成されており、溝４２ａ内のはんだは遠位側に膨出する凸形状を有する。図２では図示を書略しているが、溝４２ａには、導電ブロック４６からみて溝４２ａの中心よりも遠位側に酸化層４３が形成されている。溝４２ａ内のはんだは、はんだ層４４と上面側導体板４２との接触範囲の外縁において酸化層４３と接している。

下面側導体板５４もまた、概して板形状の部材である。下面側導体板５４の上面は、モールド樹脂３６の内部において、半導体素子５０の下面とはんだ層５２を介して接合されている。これにより、下面側導体板５４は、半導体素子５０と電気的に接続されている。一方、下面側導体板５４の下面は、モールド樹脂３６の外部に露出している。下面側導体板５４は、半導体素子５０と熱的にも接続されており、半導体素子５０で発生した熱は下面側導体板５４の下面から半導体装置１０外へと放熱される。また、下面側導体板５４には、第１積層体２０の接合部２２ｂと接合されている接合部５４ａを備える。即ち、第２積層体４０は、接合部５４ａを介して、第１積層体２０と電気的に接続されている。

モールド樹脂３６は、絶縁性を有する材料で構成されている。特に限定されないが、モールド樹脂３６を構成する材料は、例えば、エポキシ樹脂といった熱硬化性の樹脂材料である。

続いて、半導体装置１０の製造方法を説明する。半導体装置１０の製造方法は、第１積層体２０及び第２積層体４０を準備する工程と、第１積層体２０及び第２積層体４０を樹脂で封止する工程と、モールド樹脂３６を切削する工程を備える。まず、第１積層体２０を準備する工程を説明する。なお、第２積層体４０を準備する工程は、第１積層体２０を準備する工程と同様であるので、その詳細な説明を省略する。第１積層体２０を準備する工程では、一又は複数のリフロー工程によって、下面側導体板３４にはんだ層３２によって半導体素子３０を接合し、半導体素子３０にはんだ層２８によって導電ブロック２６を接合する。この点は既知の方法により行われるため、その詳細な説明は省略する。以下では、下面側導体板３４と半導体素子３０と導電ブロック２６とが積層された状態ではんだ接合された積層体を半製品と呼ぶ。

図３は、その半製品にはんだ層２４によって上面側導体板２２をはんだ接合する工程を説明している。すなわち、導電ブロック２６にはんだ層２４によって上面側導体板２２をはんだ接合する工程を説明している。この工程は、図２に示した姿勢とは上下を反転させた姿勢で実施する。すなわち、上面側導体板２２が導電ブロック２６の下方に位置し、溝２２ａが上方に向かって開いている姿勢ではんだ接合する。まず、図３（ａ）に示すように、導電ブロック２６の下面にはんだが塗布された半製品を上面側導体板２２上に配置する。次いで、半製品及び上面側導体板２２を加熱して導電ブロック２６の上面に塗布されたはんだを液化させる。これにより、図３（ｂ）に示すように、導電ブロック２６と上面側導体板２２との間から漏れ出た液状はんだが溝２２ａ内に流入する。

図３（ｃ）は、図３（ｂ）の符号ＩＩＩで示す範囲の拡大図である。図３（ｃ）に示すように、酸化層２３は液状はんだに濡れにくいために、溝２２ａ内に流入した液状はんだは、酸化層２３によってせき止められ、表面張力によって、遠位側に膨出する凸形状を形成する。はんだが硬化する際に生じる体積収縮によって、はんだの湾曲面形状が導電ブロック２６の方向（図３（ｃ）中の矢印Ｒで示す方向）に向けて変位しようとする。表面張力は、はんだ面の湾曲形状が矢印Ｒの方向に変位するのに抵抗する。表面張力によって、はんだの一部が上面側導体板２２と導電ブロック２６の間隔から溝２２ａ内に移動する。これが、上面側導体板２２と導電ブロック２６の間で硬化するはんだ層２４の厚みに影響する。導電ブロック２６の輪郭に沿って観察したときに、上面側導体板２２と導電ブロック２６の間隔から溝２２ａ内に移動するはんだの量が不均一であると、その分だけ導電ブロック２６が傾斜する。前記の不均一性があると、はんだ接合によって、上面側導体板２２と導電ブロック２６の平行度が低下する。図３（ｃ）に示すように、溝２２ａ内に流入した液状はんだが遠位側に膨出する凸形状を形成すると、溝２２ａ内におけるはんだの表面形状の安定性が高く、溝２２ａの長さに沿って観察したときに、液状はんだの断面形状が一様化される。これにより、溝２２ａ内に流入したはんだが硬化することによって上面側導体板２２と導電ブロック２６の間で硬化するはんだ層２４の厚みに影響する度合いが、導電ブロック２６の輪郭に沿って観察したときに一様化され、上面側導体板２２と導電ブロック２６の平行度が損なわれない。図３（ｄ）は、はんだが硬化して、はんだ層２４が形成された第１積層体２０を示す。溝２２ａ内で硬化したはんだは、遠位側に膨出する凸形状を有する。上面側導体板２２と導電ブロック２６の平行度が高い。

第２積層体４０についても同様であり、上面側導体板４２が導電ブロック４６の下方に位置し、溝４２ａが上方に向かって開いている姿勢ではんだ接合する。なお、図示を省略しているが、上面側導体板２２を導電ブロック２６に接合し、上面側導体板４２を導電ブロック４６に接合する過程で、第１積層体２０の接合部２２ｂと第２積層体４０の接合部５４ａも接合される。

第１積層体２０及び第２積層体４０を準備する工程が完了すると、第１積層体２０及び第２積層体４０を樹脂で封止する工程が行われる。封止する工程は、例えばモールド成型等の既知の方法によって行われるので、詳細な説明は省略する。図４にモールド樹脂３６で封止された第１積層体２０及び第２積層体４０を示す。図４に示すように、この段階では、第１積層体２０の上面側導体板２２の上面、及び、下面側導体板３４の下面は、モールド樹脂３６から露出していない。また、第２積層体４０の上面側導体板４２の上面、及び、下面側導体板５４の下面も、モールド樹脂３６から露出していない。そのため、モールド樹脂３６を切削する工程において、モールド樹脂３６を切削して、上面側導体板２２及び下面側導体板３４の表面をモールド樹脂３６外に露出させる。また、上面側導体板４２及び下面側導体板５４の表面も同様にしてモールド樹脂３６外に露出させる。これにより、図２に示した半導体装置１０が製造される。

ここで、上面側導体板２２の溝２２ａに酸化層２３が形成されていない比較例を想定する。比較例の構成では、上面側導体板２２を導電ブロック２６に接合する工程において、導電ブロック２６と上面側導体板２２との間から漏れ出た液状はんだの表面形状が不安定となり、導電ブロック２６の輪郭に沿って観察したときに、上面側導体板２２が硬化するはんだから受ける力が一様でない。すなわち、導電ブロック２６と上面側導体板２２の間ではんだが硬化する際に、上面側導体板２２が導電ブロック２６に向けて強く引き寄せられる位置と、その引き寄せ力が弱い位置が存在し、上面側導体板２２が傾いた状態ではんだ接合される。はんだ接合によって、上面側導体板２２と導電ブロック２６との間の平行度が損なわれる。特に、上面側導体板２２の質量が比較的小さい場合には、上面側導体板２２がはんだから受ける力の影響が大きいので、上面側導体板２２と導電ブロック２６との間の平行度が損なわれる可能性が高くなる。また、上面側導体板２２と導電ブロック２６との間の平行度が損なわれると、第１積層体２０の接合部２２ｂと第２積層体４０の接合部５４ａとの間の接合にも影響し得る。

図５は、本実施例の半導体装置１０と上記の比較例の半導体装置の各部の厚みを示すグラフである。図５に示すグラフの縦軸は、上面側導体板と下面側導体板との間で測定された厚み（ｍｍ）を示し、横軸は溝２２ａの長手方向に沿って厚みを測定した７か所の各部を示す。また、図５のグラフでは２個の本実施例の半導体装置１０と２個の比較例の半導体装置の測定結果を示しており、２本の実線のグラフは、２個の実施例の半導体装置１０のそれぞれの厚みを示し、２本の破線のグラフは、２個の比較例の半導体装置のそれぞれの厚みを示す。図５に示すように、比較例の半導体装置では、各部において測定される厚みのばらつきが大きいのに対し、本実施例の半導体装置１０では、各部において測定される厚みのばらつきが小さい。

（本実施例の効果）
本実施例では、導電ブロック２６からみて溝２２ａの中心よりも遠位側の少なくとも一部に酸化層２３が形成されている。酸化層２３は液状はんだに濡れにくいために、導電ブロック２６に上面側導体板２２をはんだ接合する工程で導電ブロック２６と上面側導体板２２との間から漏れ出たはんだは、酸化層２３によってせき止められ、遠位側に膨出する凸形状を形成し、その形状下で硬化する。この場合、溝２２ａ内に流入したはんだの表面形状の再現性が高く、導電ブロック２６を一巡する溝２２ａの長さに沿って観察したときに、液状はんだの断面の一様化が高い。そのために、溝２２ａ内に漏れ出たはんだが硬化する際に導電ブロック２６と上面側導体板２２の間で硬化するはんだ層２４の厚みに与える影響の大きさも一様化される。はんだ接合することで導電ブロック２６と上面側導体板２２の間の平行度が損なわれることを抑制することができる。

また、上記の比較例のように、導電ブロック２６と上面側導体板２２との間の平行度が損なわれる可能性があると、モールド樹脂３６を切削する工程において、上面側導体板２２の表面をモールド樹脂３６の外部に十分に露出させるために、上面側導体板２２自体を切削する必要が生じる。この場合、切削のための刃具の摩耗が増大し、刃具の交換頻度が増大し得る。また、切削後に十分な厚みを確保するために、上面側導体板２２の厚みを増加させる必要がある。これに対し、本実施例では、導電ブロック２６と上面側導体板２２との間の平行性を維持することができるので、上記のような問題が発生しない。

（参考例）
続いて、図６を参照して、参考例を説明する。図６は、図３（ｃ）に対応する。参考例では、溝２２ａに代えて、溝２２ｃが上面側導体板２２に設けられている点が、上記の実施例とは異なる。以下では、上記の実施例と異なる点のみを説明し、上記の実施例と同様の点の説明は省略する。図６は、上面側導体板２２に設けられている溝２２ｃの拡大図を示す。溝２２ｃでは、実施例の溝２２ａにおいて酸化層２３が形成されていた部分において、溝が形成されていない。換言すれば、溝２２ｃには、導電ブロック２６からみて溝２２ｃの中心よりも遠位側に壁が形成されている。参考例の構成によっても、導電ブロック２６に上面側導体板２２を接合する工程において、導電ブロック２６と上面側導体板２２との間から漏れ出たはんだが、壁によってせき止められるので、溝２２ｃ内のはんだが遠位側に膨出する凸形状を有する。従って、溝内に流入したはんだの表面形状の再現性が高く、溝２２ｃの長さに沿って観察したときに、液状はんだの断面の一様化が高い。また、溝２２ｃ内に漏れ出たはんだが硬化する際に導電ブロック２６と上面側導体板２２の間で硬化するはんだ層２４の厚みに与える影響の大きさも一様化される。はんだ接合することで導電ブロック２６と上面側導体板２２の間の平行度が損なわれることを抑制することができる。

以上、いくつか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。本明細書又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る。

１０：半導体装置
２０：第１積層体
４０：第２積層体
２２，４２：上面側導体板
２２ａ，２２ｃ，４２ａ：溝
２３，４３：酸化層
２２ｂ，５４ａ：接合部
２４，２８，３２，４４，４８，５２：はんだ層
２６，４６：導電ブロック
３０，５０：半導体素子
３４，５４：下面側導体板
３６：モールド樹脂

Claims (1)

1. 平面状に延びている電極が形成されている半導体素子と、
   前記半導体素子の前記電極に接合されている導電ブロックと、
   前記導電ブロックの前記半導体素子が接合されている側と反対側の面に、はんだ層を介して接合されている導体板を備えており、
   前記導体板には、前記導電ブロックが接合されている面において、前記導電ブロックを一巡する溝が設けられており、
   前記溝には、前記導電ブロックからみて前記溝の中心よりも遠位側の少なくとも一部に酸化層が形成されており、
   前記溝内のはんだが、前記遠位側に膨出する凸形状を有する、半導体装置。

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