JP2019153756A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体装置の製造段階における接合材の広がりを抑制する技術を提供する。【解決手段】 半導体装置は、半導体素子と、半導体素子に接続された放熱板と、放熱板に接合材を介して接合された電力端子と、を備える。電力端子は、接合材に接触する接合エリアとそれに隣接する非接合エリアとの境界において、電力端子の厚み方向に屈曲する屈曲部が形成されている。【選択図】 図５

Description

本明細書が開示する技術は、半導体装置に関する。

特許文献１に、半導体装置が開示されている。この半導体装置は、半導体素子と、半導体素子に接続された放熱板と、放熱板に接合材を介して接合された電力端子と、を備える。

特開２０１５−１３０４６５号公報

上記のような半導体装置では、電力端子が、接合材（例えば、はんだ又は導電性接着剤）に接触する接合エリアと、それに隣接する非接合エリアと、を有する。接合エリアと非接合エリアとの境界は、設計上定められており、半導体装置の製造段階では、流動性を有する接合材が、意図せず広範囲に広がることを防止する必要がある。

本明細書に開示される半導体装置は、半導体素子と、前記半導体素子に接続された放熱板と、前記放熱板に接合材を介して接合された電力端子と、を備える。前記電力端子は、前記接合材に接触する接合エリアとそれに隣接する非接合エリアとの境界において、前記電力端子の厚み方向に屈曲する屈曲部が形成されている。

上記の構成によると、電力端子は、接合材に接触する接合エリアと、それに隣接する非接合エリアとの境界に、屈曲部を有する。この屈曲部は、接合部分の厚み方向に屈曲しているので、半導体装置の製造段階では、流動性を有する接合材が、屈曲部を超えて広がることが抑制される。これにより、接合エリアと非接合エリアとの意図された境界を越えて、接合材が過剰に広がることが防止され得る。

また、電力端子の屈曲部は、半導体装置の製造段階において曲げ加工などにより、容易に形成することができる。即ち、電力端子のうち接合エリアが占めるエリアを容易に変更することができる。このため、接合エリアを、放熱板の形状といった他の設計要件に容易に対応させることができ、それによって、放熱板と電力端子との間の接合面積を最大化させることができる。

半導体装置１０の平面図。 半導体装置１０の内部構造を示す平面図。 図１のIII−III線における内部構造を示す断面図。 図２のIV部を拡大して示す拡大図。 図４のV−Vにおける断面図。

図面を参照して、実施例の半導体装置１０について説明する。本実施例の半導体装置１０は、例えば電気自動車、ハイブリッド車、燃料電池車といった電動自動車において、コンバータやインバータといった電力変換回路に用いることができる。但し、半導体装置１０の用途は特に限定されない。半導体装置１０は、様々な装置や回路に広く採用することができる。

図１、図２、図３に示すように、半導体装置１０は、第１半導体素子２０と、第２半導体素子４０と、封止体１２と、複数の外部接続端子１４、１５、１６、１８、１９と、を備える。第１半導体素子２０と第２半導体素子４０は、封止体１２の内部に封止されている。封止体１２は、特に限定されないが、例えばエポキシ樹脂といった熱硬化性樹脂で構成されている。各々の外部接続端子１４、１５、１６、１８、１９は、封止体１２の外部から内部に亘って延びており、封止体１２の内部で第１半導体素子２０及び第２半導体素子４０の少なくとも一方に電気的に接続されている。一例ではあるが、複数の外部接続端子１４、１５、１６、１８、１９には、電力用であるＰ端子１４、Ｎ端子１５及びＯ端子１６と、信号用である複数の第１信号端子１８及び複数の第２信号端子１９が含まれる。

図３に示すように、第１半導体素子２０は、上面電極２０ａと、下面電極２０ｂと、を有する。上面電極２０ａは、第１半導体素子２０の上面に位置しており、下面電極２０ｂは、第１半導体素子２０の下面に位置している。第１半導体素子２０は、上下一対の電極２０ａ、２０ｂを有する縦型の半導体素子である。同様に、第２半導体素子４０は、上面電極４０ａと下面電極４０ｂとを有する。上面電極４０ａは第２半導体素子４０の上面に位置しており、下面電極４０ｂは第２半導体素子４０の下面に位置する。即ち、第２半導体素子４０についても、上下一対の電極４０ａ、４０ｂを有する縦型の半導体素子である。本実施例における第１半導体素子２０と第２半導体素子４０は、互いに同種の半導体素子であり、詳しくはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）とダイオードとを内蔵するＲＣ−ＩＧＢＴ（Reverse Conducting IGBT）素子である。

但し、第１半導体素子２０と第２半導体素子４０の各々は、ＲＣ−ＩＧＢＴ素子に限定されず、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）素子といった他のパワー半導体素子であってもよい。あるいは、第１半導体素子２０と第２半導体素子４０の各々は、ダイオード素子とＩＧＢＴ素子（又はＭＯＳＦＥＴ素子）といった二以上の半導体素子に置き換えられてもよい。第１半導体素子２０と第２半導体素子４０の具体的な構成は特に限定されず、各種の半導体素子を採用することができる。この場合、第１半導体素子２０と第２半導体素子４０は、互いに異種の半導体素子であってもよい。また、第１半導体素子２０と第２半導体素子４０の各々は、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ことができる。第１半導体素子２０の上面電極２０ａ及び下面電極２０ｂを構成する材料には、特に限定されないが、例えばアルミニウム系又はその他の金属を採用することができる。同様に、第２半導体素子４０の上面電極４０ａ及び下面電極４０ｂを構成する材料には、特に限定されないが、例えばアルミニウム系又はその他の金属を採用することができる。

半導体装置１０は、第１上側放熱板２２と、第１導体スペーサ２４と、第１下側放熱板２６と、をさらに備える。第１導体スペーサ２４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。第１導体スペーサ２４は、概して板形状あるいはブロック形状の部材であり、上面２４ａと、上面２４ａとは反対側に位置する下面２４ｂと、を有する。第１導体スペーサ２４は封止体１２内に位置している。第１導体スペーサ２４の上面２４ａは、第１上側放熱板２２にはんだ層２３を介して接合されている。第１導体スペーサ２４の下面２４ｂは、第１半導体素子２０の上面電極２０ａにはんだ層２５を介して接合されている。即ち、第１導体スペーサ２４は、第１半導体素子２０に電気的に接続されている。第１導体スペーサ２４は、必ずしも必要とされないが、第１信号端子１８を第１半導体素子２０に接続する際のスペースを確保する。

第１上側放熱板２２及び第１下側放熱板２６は、例えば銅、アルミニウム又はその他の金属といった熱伝導性に優れた材料で構成されている。第１上側放熱板２２は、概して直方体形状又は板形状の部材であり、上面２２ａと、上面２２ａとは反対側に位置する下面２２ｂと、を有する。第１上側放熱板２２の上面２２ａは、封止体１２の上面１２ａにおいて外部に露出されている。また、第１上側放熱板２２の下面２２ｂは、前述した第１導体スペーサ２４の上面２４ａにはんだ層２３を介して接合されている。即ち、第１上側放熱板２２は第１導体スペーサ２４を介して第１半導体素子２０と電気的及び熱的に接続されている。これにより、第１上側放熱板２２は、半導体装置１０の電気回路の一部を構成するだけでなく、第１半導体素子２０の熱を外部に放出する放熱板としても機能する。

第１下側放熱板２６は、概して直方体形状又は板形状の部材であり、上面２６ａと、上面２６ａとは反対側に位置する下面２６ｂと、を有する。第１下側放熱板２６の下面２６ｂは、封止体１２の下面１２ｂにおいて外部に露出されている。また、第１下側放熱板２６の上面２６ａは、第１半導体素子２０の下面電極２０ｂにはんだ層２７を介して接合されている。即ち、第１下側放熱板２６は、第１半導体素子２０と電気的及び熱的に接続されている。これにより、第１下側放熱板２６においても半導体装置１０の電気回路の一部を構成するだけでなく、第１半導体素子２０の熱を外部に放出する放熱板としても機能する。このように、本実施例の半導体装置１０は、封止体１２の両面１２ａ、１２ｂに第１上側放熱板２２及び第１下側放熱板２６が露出される両面冷却構造を有する。

また、半導体装置１０は、第２上側放熱板４２と、第２導体スペーサ４４と、第２下側放熱板４６と、をさらに備える。第２導体スペーサ４４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。第２導体スペーサ４４は、概して板形状あるいはブロック形状の部材であり、上面４４ａと、上面４４ａとは反対側に位置する下面４４ｂと、を有する。第２導体スペーサ４４は封止体１２内に位置している。第２導体スペーサ４４の上面４４ａは、第２上側放熱板４２にはんだ層４３を介して接合されている。第２導体スペーサ４４の下面４４ｂは、第２半導体素子４０の上面電極４０ａにはんだ層４５を介して接合されている。即ち、第２導体スペーサ４４は、第２半導体素子４０に電気的に接続されている。第２導体スペーサ４４は、必ずしも必要とされないが、第２信号端子１９を第２半導体素子４０に接続する際のスペースを確保する。

第２上側放熱板４２及び第２下側放熱板４６は、例えば銅、アルミニウム又はその他の金属といった熱伝導性に優れた材料で構成されている。第２上側放熱板４２は、概して直方体形状又は板形状の部材であり、上面４２ａと、上面４２ａとは反対側に位置する下面４２ｂと、を有する。第２上側放熱板４２の上面４２ａは、封止体１２の上面１２ａにおおいて外部に露出されている。また、第２上側放熱板４２の下面４２ｂは、前述した第２導体スペーサ４４の上面４４ａにはんだ層４３を介して接合されている。即ち、第２上側放熱板４２は第２導体スペーサ４４を介して第２半導体素子４０と電気的及び熱的に接続されている。これにより、第２上側放熱板４２は、半導体装置１０の電気回路の一部を構成するだけでなく、第２半導体素子４０の熱を外部に放出する放熱板としても機能する。

第２下側放熱板４６は、概して直方体形状又は板形状の部材であり、上面４６ａと、上面４６ａとは反対側に位置する下面４６ｂと、を有する。第２下側放熱板４６の下面４６ｂは、封止体１２の下面１２ｂにおいて外部に露出されている。また、第２下側放熱板４６の上面４６ａは、第２半導体素子４０の下面電極４０ｂにはんだ層４７を介して接合されている。即ち、第２下側放熱板４６は、第２半導体素子４０と電気的及び熱的に接続されている。これにより、第２下側放熱板４６においても半導体装置１０の電気回路の一部を構成するだけでなく、第２半導体素子４０の熱を外部に放出する放熱板としても機能する。このように、本実施例の半導体装置１０は、封止体１２の両面１２ａ、１２ｂに第２上側放熱板４２及び第２下側放熱板４６が露出される両面冷却構造を有する。第２下側放熱板４６は、第１上側継手部２２ｃ及び第２下側継手部４６ｃを介して、第１上側放熱板２２に接続されている。

上述したように、半導体装置１０は、外部接続端子として、Ｐ端子１４、Ｎ端子１５及びＯ端子１６を備える。本実施例におけるＰ端子１４、Ｎ端子１５及びＯ端子１６は、銅で構成されている。但し、Ｐ端子１４、Ｎ端子１５及びＯ端子１６は、銅に限定されず、他の導体で構成されてもよい。Ｐ端子１４は、封止体１２の内部において、第１下側放熱板２６の上面２６ａに接続されている。Ｎ端子１５は、封止体１２の内部において、第２上側放熱板４２の下面４２ｂに接続されている。そして、Ｏ端子１６は、第２下側放熱板４６の上面４６ａに接続されている。一例ではあるが、Ｐ端子１４及びＯ端子１６は、それぞれ第１下側放熱板２６及び第２下側放熱板４６に一体に形成されている。但し、Ｐ端子１４及びＯ端子１６の一方又は両方は、それぞれ第１下側放熱板２６及び第２下側放熱板４６に例えば溶接によって接合されてもよい。また、Ｎ端子１５は、後述するが、第２上側放熱板４２の第２上側継手部４２ｃにはんだ付けによって接合されている。半導体装置１０は外部接続端子として、複数の第１信号端子１８及び複数の第２信号端子１９もまた備える。本実施例における複数の信号端子１８、１９は、第１半導体素子２０及び第２半導体素子４０に、それぞれ、ボンディングワイヤ１８ａ、１９ａによって接続されている。

図２、図３に示すように、半導体装置１０の第１上側放熱板２２は、導体で構成された第１上側継手部２２ｃをさらに有する。同様に第２下側放熱板４６は、導体で構成された第２下側継手部４６ｃをさらに有する。第１上側継手部２２ｃ及び第２下側継手部４６ｃは、封止体１２の内部に位置している。第１上側放熱板２２の第１上側継手部２２ｃは、第２下側放熱板４６の第２下側継手部４６ｃにはんだ層５０を介して接合されている。即ち、第１上側継手部２２ｃ及び第２下側継手部４６ｃは、第１上側放熱板２２と第２下側放熱板４６との間を電気的に接続している。これにより、第１半導体素子２０と第２半導体素子４０は、第１上側継手部２２ｃ及び第２下側継手部４６ｃを介して直列に接続される。第１上側継手部２２ｃ及び第２下側継手部４６ｃは、例えば銅で構成されることができる。第１上側継手部２２ｃと第１上側放熱板２２とは、一体に形成されていてもよいし、互いに接合されていてもよい。この場合の接合手法は、特に限定されず、例えば溶接によって接合されていてもよい。同様に、第２下側継手部４６ｃの第２下側放熱板４６とは、一体に形成されていてもよいし、互いに接合されていてもよい。この場合の接合手法においても、特に限定されず、例えば溶接によって接合されていてもよい。

図２、図３に示すように、第１上側放熱板２２の下面２２ｂには、はんだ層２３を取り囲むようにはんだ吸収溝２２ｄが設けられている。このはんだ吸収溝２２ｄにより、第１導体スペーサ２４と第１上側放熱板２２とをはんだ付けする際に、余剰なはんだは収容され、意図しない範囲まではんだが濡れ広がることを防止することができる。同様に、第２上側放熱板４２の下面４２ｂには、はんだ層４３を取り囲むようにはんだ吸収溝４２ｄが設けられている。このはんだ吸収溝４２ｄにより、第２導体スペーサ４４と第２上側放熱板４２とをはんだ付けする際に、余剰なはんだは収容され、意図しない範囲まで濡れ広がることを防止することができる。一例ではあるが、本実施例の半導体装置１０では、第１上側放熱板２２と第２上側放熱板４２とに、同じ形状の部材が採用されている。

第１上側放熱板２２では、第１上側継手部２２ｃにも、はんだ吸収溝２２ｅが設けられている。はんだ吸収溝２２ｅは、第２下側継手部４６ｃとの間に位置するはんだ層５０を取り囲むように設けられている。このはんだ吸収溝２２ｅにより、第１上側継手部２２ｃと第２下側継手部４６ｃとをはんだ付けする際に、余剰なはんだは収容され、意図しない範囲まではんだが濡れ広がることを防止することができる。

図２、図４、図５に示すように、半導体装置１０の第２上側放熱板４２は、導体で構成された第２上側継手部４２ｃをさらに有しており、Ｎ端子１５にはんだ層６０を介して接続されている。第２上側継手部４２ｃは、例えば銅で構成されることができる。第２上側継手部４２ｃと第２上側放熱板４２とは、一体に形成されている。但し、第２上側継手部４２ｃと第２上側放熱板４２とは、溶接などによって、互いに接合されていてもよい。

第２上側放熱板４２の第２上側継手部４２ｃには、はんだ吸収溝４２ｅが設けられている。このはんだ吸収溝４２ｅは、Ｎ端子１５との間に位置するはんだ層６０を取り囲むように設けられている。このはんだ吸収溝４２ｅにより、第２上側放熱板４２の第２上側継手部４２ｃとＮ端子１５とをはんだ付けする際に、余剰なはんだは収容され、意図しない範囲まで濡れ広がることを防止することができる。

Ｎ端子１５は、はんだ層６０と接触している領域である接合エリアＳ１と、それに隣接する領域である非接合エリアＳ２と、を備える。また、Ｎ端子１５は、Ｚ方向における厚み寸法の大きさが厚みｔ１である厚板区間と、Ｚ方向における厚み寸法の大きさが厚みｔ１よりも小さい厚みｔ２である薄板区間と、で構成される。接合エリアＳ１は、厚板区間と薄板区間との両者に跨って形成されており、非接合エリアＳ２は、薄板区間にのみ形成されている。Ｎ端子１５は、薄板区間であり、接合エリアＳ１と非接合エリアＳ２との境界Ｂにおいて、Ｎ端子１５がＺ方向に屈曲している屈曲部１５ａを有する。屈曲部１５ａは、はんだ吸収溝４２ｅの下側に位置している。

上記の構成によると、Ｎ端子１５は、はんだ層６０に接触する接合エリアＳ１とそれに隣接する非接合エリアＳ２との境界Ｂに、屈曲部１５ａを有する。この屈曲部１５ａは、Ｎ端子１５のＺ方向に屈曲しているので、半導体装置１０の製造段階では、流動性を有するはんだ層６０が、屈曲部１５ａを超えて濡れ広がることが抑制される。即ち、Ｎ端子１５の屈曲部１５ａ及び第２上側放熱板４２の第２上側継手部４２ｃによって、製造段階におけるはんだ層６０の濡れ広がりは抑制される。これにより、接合エリアＳ１と非接合エリアＳ２との意図された境界Ｂを越えて、はんだ層５０が過剰に濡れ広がることが防止される。

また、屈曲部１５ａは、半導体装置１０の製造段階において曲げ加工などにより、容易に形成することができる。即ち、屈曲部１５ａが形成される位置を変更することで、Ｎ端子１５のうち接合エリアＳ１が占めるエリアを容易に変更することができる。このため、接合エリアＳ１を、第２上側放熱板４２の第２上側継手部４２ｃの形状に対応させ、第２上側放熱板４２とＮ端子１５との間の接合面積を最大化させることができる。例えば、本実施例でが、屈曲部１５ａが第２上側放熱板４２の第２上側継手部４２ｃのはんだ吸収溝４２ｅの下側に位置されるように、屈曲部１５ａの位置を容易に調整することができる。これにより、Ｎ端子１５の屈曲部１５ａ及び第２上側放熱板４２の第２上側継手部４２ｃによって、製造段階におけるはんだ層６０の濡れ広がりはさらに抑制される。

また、本実施例では、厚み寸法が厚みｔ２の薄板区間に屈曲部１５ａが設けられている。このため、屈曲部１５ａを厚み寸法が厚みｔ１の厚板区間に形成する場合と比較して、屈曲部１５ａをより容易に形成することができる。従って、例えば、はんだ吸収溝４２ｅの位置が変更されても、Ｎ端子１５における屈曲部１５ａの位置を変更後のはんだ吸収溝４２ｅの位置に容易に対応させることができる。従って、第２上側放熱板４２とＮ端子１５との間の接合面積を容易に最大化させることができる。

なお、第２上側放熱板４２とＮ端子１５との間の接合面積が大きいほど、第１半導体素子２０の発熱時に、Ｎ端子１５に生じる熱応力は大きくなる。この点に関して、Ｎ端子１５に屈曲部１５ａが設けられていると、この熱応力を屈曲部１５ａによって緩和することができる。従って、第２上側放熱板４２とＮ端子１５との間の接合面積を最大化させても、半導体装置１０の信頼性が低下することを防止することができる。

上述したように、Ｎ端子１５における屈曲部１５ａの位置を変更することで、はんだ層６０による接合面積を調整することができる。ここで、はんだ層６０による接合面積を大きくするほど、屈曲部１５ａの位置は、Ｎ端子１５の長手方向に沿って封止体１２の外表面（即ち、封止体１２の外部）に近づいていく。この場合、封止体１２の外表面から、はんだ層６０による接合部分までの距離が短くなるので、外部からＮ端子１５に加えられた振動が、はんだ層６０による接合部分まで伝わりやすくなる。はんだ層６０による接合部分に、外部からの振動が伝わりやすくなると、例えば、はんだ層６０にクラックが生じるといった信頼性の低下が懸念される。しかしながら、Ｎ端子１５に屈曲部１５ａが設けられていると、この振動を屈曲部１５ａによって緩和することができる。従って、Ｎ端子１５に屈曲部１５ａを設けることで、はんだ層６０による接合面積を大きくしながら、半導体装置１０の信頼性が低下することを防止することができる。

（対応関係）
第１下側放熱板２６、はんだ層６０、Ｎ端子１５が、それぞれ、「放熱板」、「接合材」、「電力端子」の一例である。Ｚ方向が、「厚み方向」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。また、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。

１０ ：半導体装置
１２ ：封止体
１４ ：Ｐ端子
１５ ：Ｎ端子
１５ａ ：屈曲部
１６ ：Ｏ端子
１８、１９ ：信号端子
２０、４０ ：第１半導体素子
２２ ：第１上側放熱板
２２ｃ ：第１上側継手部
２２ｅ ：第１上側継手部のはんだ吸収溝
２３、２５、２７、４３、４５、４７、５０、６０ ：はんだ層
２４ ：導体スペーサ
２６ ：第１下側放熱板
４０ ：第２半導体素子
４２ ：第２上側放熱板
４２ｃ ：第２上側継手部
４２ｅ ：第２上側継手部のはんだ吸収溝
４６ ：第２下側放熱板
４６ｃ ：第２下側継手部
Ｂ ：境界
Ｓ１ ：接合エリア
Ｓ２ ：非接合エリア

Claims (1)

1. 半導体装置であって、
   半導体素子と、
   前記半導体素子に接続された放熱板と、
   前記放熱板に接合材を介して接合された電力端子と、を備え、
   前記電力端子は、前記接合材に接触する接合エリアとそれに隣接する非接合エリアとの境界において、前記電力端子の厚み方向に屈曲する屈曲部が形成されている、
   半導体装置。

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