JP2019091821A

JP2019091821A - 半導体装置

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Publication number: JP2019091821A
Application number: JP2017220286A
Authority: JP
Inventors: 加藤　彰; Akira Kato; 彰加藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-11-15
Filing date: 2017-11-15
Publication date: 2019-06-13

Abstract

【課題】本発明では、半導体素子の変形を抑えることにより、半導体素子の割れを抑えることができる半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置１は、リードフレーム３と、リードフレーム３に、はんだからなる第１接合材２１を介して接合された半導体素子４と、半導体素子４に、はんだからなる第２接合材２２を介して接合された金属製のスペーサ６と、が順に積層された積層構造体１０を有する。積層構造体１０の積層方向Ｓに沿った断面において、スペーサ６の幅は、半導体素子４の幅よりも狭く、積層方向Ｓに沿った断面において、第１接合材２１が配置された、スペーサ６が重畳する領域には、第１接合材２１の材料よりも、熱伝導率および電気伝導率が高い材料であり、半導体素子４が発熱する温度範囲において、クリープひずみが小さい材料が配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、リードフレームと、半導体素子と、金属製のスペーサと、が順に積層された積層構造体を有した半導体装置に関する。

この種の技術としては、たとえば、ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の半導体素子とリードフレームとをはんだを介して接合し、これらを封止樹脂体で封止した半導体装置が知られている。

このような半導体装置として、特許文献１には、図７（ａ）に示すように、リードフレーム３と、リードフレーム３に第１接合材２１を介してはんだ接合された半導体素子４と、半導体素子４に第２接合材２２を介してはんだ接合された金属製のスペーサ６と、が順に積層された積層構造体１０を有した半導体装置１が開示されている。

特開２０１６−０５８４８７号公報

しかしながら、特許文献１に開示された半導体装置１では、半導体素子４が繰り返し発熱することにより、リードフレーム３およびスペーサ６等に繰り返しの熱応力が発生する。具体的には、リードフレーム３とスペーサ６の線膨張係数は、半導体素子４よりも高いため、リードフレーム３とスペーサ６は、半導体素子４よりも延びようとする。この結果、図７（ｂ）に示すように、リードフレーム３とスペーサ６が反ってしまう。これにより、スペーサ６のエッジに対応する位置の第１接合材２１に圧縮応力が作用する。

その後、半導体素子４の発熱により第１接合材２１が高温となった状態で、このような圧縮応力が付与され続けると、図７（ｃ）に示すように、圧縮応力が作用する位置の第１接合材２１が、その位置から両側に逃げるようにクリープ変形し、その位置の第１接合材２１の厚みが薄くなる。この結果、図７（ｄ）に示すように、半導体素子４が、Ｗ字状に変形し、半導体素子４が割れるおそれがあった。

本発明は上記点に鑑みてなされたものであり、本発明では、半導体素子の変形を抑えることにより、半導体素子の割れを抑えることができる半導体装置を提供する。

本発明に係る半導体装置は、リードフレームと、前記リードフレームに、はんだからなる第１接合材を介して接合された半導体素子と、前記半導体素子に、はんだからなる第２接合材を介して接合された金属製のスペーサと、が順に積層された積層構造体を有した半導体装置であって、前記積層構造体の積層方向に沿った断面において、前記スペーサの幅は、前記半導体素子の幅よりも狭く、前記積層方向に沿った断面において、前記第１接合材が配置された、前記スペーサが重畳する領域には、前記第１接合材の材料よりも、熱伝導率および電気伝導率が高い材料であり、前記半導体素子が発熱する温度範囲において、クリープひずみが小さい材料が配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、第１接合材が配置された、スペーサが重畳する領域には、第１接合材よりも、熱伝導率および電気伝導率が高い材料が配置されているので、リードフレームと半導体素子との間における熱伝導性および電気伝導性が、阻害されることはない。

さらに、第１接合材のスペーサが重畳する領域に配置される材料は、第１接合材の材料よりも、半導体素子が発熱する温度範囲において、クリープひずみが小さい材料である。したがって、リードフレームとスペーサが、半導体素子よりも延びようとすることで、リードフレームとスペーサが反ったとしても、半導体素子とリードフレームとの間に配置された材料により、第１接合材がクリープ変形することを抑えることができる。これにより、半導体素子が、Ｗ字状に変形することを抑え、半導体素子の割れを抑えることができる。

本実施形態に係る半導体装置の模式的断面図である。（ａ）は、図１に示す半導体装置の要部の模式的拡大断面図であり、（ｂ）〜（ｄ）は、（ａ）に示す半導体装置の変形例に係る模式的拡大断面図である。実施例の熱解析における半導体装置のモデルを示した図である。図３に示す半導体装置のモデルに付与する熱サイクルを示したグラフである。各サイクルにおける実施例の半導体素子（素子）の変位量を示したグラフである。各サイクルにおける比較例の半導体素子（素子）の変位量を示したグラフである。（ａ）〜（ｄ）は、従来の半導体装置の変形を説明するための模式的断面図である。

以下に、図１および図２を参照して、本発明の実施形態とこれらの変形例について説明する。

図１は、本実施形態に係る半導体装置１の模式的断面図である。図２（ａ）は、図１に示す半導体装置１の要部の模式的拡大断面図であり、図２（ｂ）〜（ｄ）は、図２（ａ）に示す半導体装置１の変形例に係る模式的拡大断面図である。

本実施形態に係る半導体装置１は、両面冷却型半導体装置として利用されるものである。図１に示すように、半導体装置１には、半導体素子４のコレクタ側に配置されたリードフレーム３とエミッタ側に配置されたリードフレーム７との間に、半導体素子４が配置されており、リードフレーム７と半導体素子４との間には、スペーサ６が配置されている。

具体的には、半導体装置１は、積層構造体１０を有しており、積層構造体１０は、リードフレーム３と、リードフレーム３に、はんだからなる第１接合材２１を介して接合された半導体素子４と、半導体素子４に、はんだからなる第２接合材２２を介して接合された金属製のスペーサ６と、が順に積層されている。さらに、スペーサ６は、はんだからなる第３接合材２３を介して、リードフレーム７に接合されている。

本実施形態の半導体装置１は、積層構造体１０と、第３接合材２３に接合されたリードフレーム７を覆う封止樹脂体５と、を備えており、封止樹脂体５は、リードフレーム７と
対向するリードフレーム３の空間を封止するように配置さえている。

ここで、リードフレーム３、７は、Ａｌまたはその合金、もしくはＣｕまたはその合金などからなってもよいが、これらを基材として、リードフレーム３、７の表面に、Ｎｉめっき層が形成され、Ｎｉめっき層の表面にＡｕめっき層が形成されていてもよい。

半導体素子４としては、Ｓｉ素子またはＳｉＣ素子を挙げることができ、ＳｉＣ素子は、Ｓｉ素子に比べて、縦弾性係数が高いため、後述する第１接合材２１（はんだ）をクリープ変形させる応力が高くなる。したがって、半導体素子４が、ＳｉＣ素子である場合には、後述する本実施形態で示す構成は、半導体素子４の変形に有効である。

第１接合材２１は、Ｐｂ系はんだ、Ｐｂフリーはんだのいずれであってもよいが、Ｐｂフリーはんだであることが好ましい。このようなＰｂフリーはんだとしては、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ、Ｓｎ−Ｚｎ系はんだ、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだなどを挙げることができる。同様に、第２および第３接合材２２、２３に、第１接合材２１と同様の材料を使用してよい。

スペーサ６は、半導体装置１の高さを調整するものであり、材料としては、例えば、Ｃｕまたはその合金などを挙げることができる。

封止樹脂体５は、高分子樹脂からなり、フィラーをさらに含んでいてもよい。高分子樹脂は封止樹脂体５の基材となるものであり、高分子樹脂として、エポキシ系熱硬化性樹脂を用いることができる。封止樹脂体５は、プライマ層（不図示）を介して、リードフレーム３等に接合されていてもよい。

本実施形態では、図２（ａ）に示すように、積層構造体１０の積層方向Ｓに沿った断面において、スペーサ６の幅Ｂ１は、半導体素子４の幅Ｂ２よりも狭い。さらに、本実施形態では、図２（ａ）に示すように、積層方向Ｓに沿った断面において、第１接合材２１が配置された、スペーサ６が重畳する領域Ｒには、第１接合材２１の材料よりも、熱伝導率および電気伝導率が高い材料が配置されている。

さらに、この材料は、第１接合材２１の材料よりも、半導体素子４が作動時に発熱する温度範囲において、クリープひずみが小さい材料である。具体的には、この材料は、（クリープひずみ速度）＝Ａ×（応力）^ｎの式で規定されるノートン則のクリープ定数Ａおよびクリープ指数ｎが小さい材料である。

本実施形態では、第１接合材２１の上述したはんだ材料よりも、熱伝導率および電気伝導率が高く、クリープ定数Ａおよびクリープ指数ｎが小さい材料として、たとえば、Ｃｕまたはその合金、Ａｌまたはその合金、Ｎｉまたはその合金、もしくは、Ａｇまたはその合金などを挙げることができる。

具体的には、本実施形態では、リードフレーム３の基材３１から突出した突出部３２が、第１接合材２１のうち、スペーサ６が重畳する領域Ｒに形成されている。本実施形態では、突出部３２は、凸条の形状または枠状であり、枠状である場合には、スペーサ６のエッジ部を囲うような形状である。このような突出部３２は、リードフレーム３を作製時に機械加工により、基材３１と一体的に成形することができる。

突出部３２は、上述したＣｕまたはその合金などの金属材料からなるため、上述した第１接合材２１のはんだ材料よりも、熱伝導率および電気伝導率が高い材料である。したがって、積層方向Ｓに沿った断面において、第１接合材２１が配置された、スペーサ６が重畳する領域Ｒには、第１接合材２１よりも、熱伝導率および電気伝導率が高い材料が配置されているので、リードフレーム３と半導体素子４との間における熱伝導性および電気伝導性が、阻害されることはない。

また、応力とクリープひずみ速度との関係を規定するノートン則において、たとえば、突出部３２を構成する銅または銅合金のクリープ定数Ａおよびクリープ指数ｎは、素子動作温度域（例えば１５０℃）においてほぼゼロであり、第１接合材２１のＳｎ系はんだのクリープ定数Ａは、５．２×１０^−２６〜８．６×１０^−７であり、クリープ指数ｎは、５．０〜１２．８である。したがって、素子動作温度域（半導体素子４が発熱する温度範囲）において、突出部３２の材料（銅または銅合金）は、第１接合材２１の材料よりも、ノートン則のクリープ定数Ａおよびクリープ指数ｎが小さい材料である。

このように、突出部３２は、半導体素子４の発熱する温度範囲において、第１接合材２１を構成する材料よりもクリープひずみが小さい材料である。すなわち、突出部３２は、第１接合材２１に比べて、半導体素子４の発熱する温度範囲において、同じ熱応力が作用しても、クリープ変形し難い。

このような結果、リードフレーム３とスペーサ６が、半導体素子４よりも延びようとすることで、リードフレーム３とスペーサ６が反ったとしても、半導体素子４とリードフレーム３の間の材料が、クリープ変形することを抑えることができる。これにより、図７（ｄ）に示すように、半導体素子４が、Ｗ字状に変形することを抑え、半導体素子４の割れを抑えることができる。

なお、突出部３２の幅ｂは、スペーサ６の幅Ｂ１の１４〜３０％の範囲にあることが好ましい。この範囲を満たすことにより、第１接合材２１による半導体素子４とリードフレーム３との接合性を確保しつつ、第１接合材２１のクリープ変形を抑えることができる。

このような点を鑑みると、たとえば、図２（ｂ）に示すように、第１接合材２１が配置された、スペーサ６が重畳する領域Ｒに、Ｃｕまたはその合金、もしくは、Ａｌまたはその合金などの上述した金属材料からなるブロック３３を配置してもよい。ブロック３３は、棒状または枠状のブロックである。ブロック３３は、半導体装置１を製造する際に、第１接合材２１となるはんだとともに配置することができる。

また、図２（ｃ）に示すように、図２（ｂ）に示すブロック３３の代わりに、ブロック３３で例示した材料からなるワイヤ３４を、第１接合材２１が配置された、スペーサ６が重畳する領域Ｒに配置してもよい。

さらに、図２（ｄ）に示すように、第１接合材２１が配置された、スペーサ６が重畳する領域Ｒに、Ｃｕまたはその合金、Ａｇまたはその合金、もしくは、Ｎｉまたはその合金からなる金属粒子（ナノ金属粒子）で構成される金属層３５を形成してもよい。金属層３５は、半導体装置１を製造する際に、上述した金属粒子を液体に混合したペーストを、第１接合材２１となるはんだとともにリードフレーム３に配置した後、リフロはんだ付けの熱により、形成することができる。

このように、第１接合材２１のスペーサ６が重畳する領域Ｒに配置されるブロック３３、ワイヤ３４、または、金属層３５は、第１接合材２１のはんだよりも、熱伝導性および電気伝導性が高く、半導体素子４が発熱する温度範囲において、クリープひずみが小さい。

したがって、これらの変形例においても、リードフレーム３とスペーサ６が、線膨張係数の違いにより半導体素子４よりも延びようとすることで、リードフレーム３とスペーサ６が反ったとしても、半導体素子４とリードフレーム３との間に配置されたブロック３３、ワイヤ３４、または、金属層３５により、第１接合材２１がクリープ変形することを抑えることができる。これにより、半導体素子４が、Ｗ字状に変形することを抑え、半導体素子４の割れを抑えることができる。

実施例として、図１に示す半導体装置１に相当する、図３に示すモデルを用いて、半導体装置１の熱変形の解析を行った。なお、図３のモデルで、図１の半導体装置１と同じ部位には、同じ符号を付している。また、比較例として、図３に示すモデルのリードフレーム３に突出部３２を設けていないモデル（従来の構造）で、半導体装置１の熱変形の解析を行った。

この解析では、図３に示すモデルの両側の接点を拘束し、半導体素子４が作動時に発熱する温度サイクルを、図４に示すように半導体素子４に付与した。図４に示す温度範囲が、半導体素子４が発熱する温度範囲であり、図４に示す温度履歴を１サイクルとして、５００サイクル繰り返すことによる半導体装置１の熱変形の解析を行った。この結果を図５および図６に示す。

図５は、各サイクルにおける実施例の半導体素子（素子）の変位量を示したグラフであり、図６は、各サイクルにおける比較例の半導体素子（素子）の変位量を示したグラフである。

図６に示すように、比較例の場合には、サイクルが進むに従って、半導体素子４が、Ｗ字状に変形し、スペーサ６のエッジに対応する半導体素子４の曲率が小さくなっていることがわかり、この部分から半導体素子４に割れ等の破損が生じるおそれがあると考えられる。

一方、図５に示すように、実施例の場合には、サイクル数が進んでも、比較例に比べて、半導体素子４の形状およびその変形量に大きな変化はない。このことから、第１接合材２１が配置された、スペーサ６が重畳する領域において、例えば、突出部３２のように、第１接合材２１の材料よりも、熱伝導率および電気伝導率が高く、半導体素子４が発熱する温度範囲においてクリープひずみが小さい材料を配置すれば、半導体素子４の変形を抑えることができると考えられる。

以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１：半導体装置、３：リードフレーム、４：半導体素子、５：封止樹脂体、６：スペーサ、１０：積層構造体、２１：第１接合材、２２：第２接合材、３１基材、３２：突出部、Ｂ１：スペーサ６の幅、Ｂ２：半導体素子４の幅、Ｒ：領域、Ｓ：積層方向

Claims

リードフレームと、
前記リードフレームに、はんだからなる第１接合材を介して接合された半導体素子と、
前記半導体素子に、はんだからなる第２接合材を介して接合された金属製のスペーサと、が順に積層された積層構造体を有した半導体装置であって、
前記積層構造体の積層方向に沿った断面において、前記スペーサの幅は、前記半導体素子の幅よりも狭く、
前記積層方向に沿った断面において、前記第１接合材が配置された、前記スペーサが重畳する領域には、前記第１接合材の材料よりも、熱伝導率および電気伝導率が高い材料であり、前記半導体素子が発熱する温度範囲において、クリープひずみが小さい材料が配置されていることを特徴とする半導体装置。