JP2020096009A

JP2020096009A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2020096009A
Application number: JP2018230843A
Authority: JP
Inventors: 幸治浦本; Koji Uramoto; 崇功川島; Takayoshi Kawashima
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-12-10
Filing date: 2018-12-10
Publication date: 2020-06-18

Abstract

【課題】半導体素子を一対の金属板で挟み込むとともに、金属板と半導体素子が樹脂製のパッケージに埋設されている半導体装置においてパッケージの強度を高める。【解決手段】半導体装置は、半導体素子と、半導体素子を挟んでいる一対の金属板と、樹脂製のパッケージを備えている。パッケージは、一対の金属板の半導体素子とは反対側の面を露出させつつ半導体素子と一対の金属板を封止している。パッケージは、金属板の法線方向からみて略矩形をなしている。パッケージの矩形短辺に沿っている金属板の端面の半導体素子側の角にフィレットが設けられている。すなわち、パッケージの矩形短辺に沿っている金属板の端面の半導体素子側の角に面取りが施されている。パッケージの矩形短辺に沿っている金属板の端面の半導体素子側の角が削られている分だけ、パッケージの体積が増え、強度が向上する。【選択図】図１

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、扁平な半導体素子を一対の金属板で挟み込むとともに、金属板と半導体素子が樹脂製のパッケージに埋設されている半導体装置が開示されている。パッケージは、それぞれの金属板の半導体素子とは反対側の面を露出させつつ半導体素子と一対の金属板を封止している。半導体素子は扁平なチップであり、それぞれの金属板は、半導体素子の幅広面に設けられた電極と導通している。一対の金属板は、半導体素子の電極を別のデバイスに電気的に接続する導電経路を担っているとともに、半導体素子の熱をパッケージの外部へ放出する放熱板の役割を担っている。

特開２００５−２６８４９６号公報

前述したように、一対の金属板は放熱板を兼ねており、半導体素子の温度変化に伴って膨張・収縮する。金属板の膨張・収縮に起因してパッケージが変形を繰り返す。パッケージを小型化すると、変形を繰り返すうちに劣化が進行し、パッケージがダメージを受ける。本明細書は、樹脂製のパッケージの強度を高める技術を提供する。

本明細書が開示する半導体装置は、半導体素子と、半導体素子を挟んでいる一対の金属板と、樹脂製のパッケージを備えている。パッケージは、一対の金属板の半導体素子とは反対側の面を露出させつつ半導体素子と一対の金属板を封止している。パッケージは、金属板の法線方向からみて略矩形をなしている。パッケージの矩形短辺に沿っている金属板の端面の半導体素子側の角にフィレットが設けられている。すなわち、パッケージの矩形短辺に沿っている金属板の端面の半導体素子側の角に面取りが施されている。パッケージの矩形短辺に沿っている金属板の端面の半導体素子側の角が削られている分だけ、パッケージの体積が増え、強度が向上する。さらに、金属板のフィレットに接しているパッケージの面もフィレット形状となるため、応力集中が緩和される。この点もパッケージの強度向上に貢献する。

フィレットは、半導体素子の当該フィレットに近い縁から金属板の法線に対してフィレット側へ４５度の角度で延ばした平面に対して半導体素子とは反対側に位置しているとよい。半導体素子が発する熱は、素子の縁から４５度の角度で拡がる。上記の条件を満たすとフィレットが放熱経路に入り込まないため、すなわち、放熱経路が金属板を外れないため、フィレットが放熱性能を低下させることがない。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の半導体素子の斜視図である。図１のII−II線に沿った断面図である。図２の破線矩形領域IIIの拡大図である。第１変形例の半導体装置の部分断面図である。第２変形例の半導体装置の部分断面図である。第３変形例の半導体装置の部分断面図である。第４変形例の半導体装置の部分断面図である。

図面を参照して実施例の半導体装置２を説明する。図１に、半導体装置２の斜視図を示す。図２に、図１のII−II線に沿った断面図を示す。半導体装置２は、一対の金属板２０、３０の間に半導体素子３とスペーサブロック４が挟まれているとともに、それらが樹脂製のパッケージ１０に封止されているデバイスである。図２では、理解を助けるためにパッケージ１０は、その輪郭のみを仮想線で描いてある。

半導体素子３は、例えば電力変換用のパワートランジスタである。半導体素子３は、扁平なチップであり、一方の幅広面にコレクタ電極が設けられており、他方の幅広面にエミッタ電極が設けられている。コレクタ電極が設けられている幅広面には、ハンダ層５を介してスペーサブロック４が接合されている。スペーサブロック４の半導体素子３とは反対側が、ハンダ層５を介して金属板２０に接合されている。スペーサブロック４は高い熱伝導率と低い内部抵抗を有している銅で作られている。半導体素子３のエミッタ電極が設けられている幅広面には、ハンダ層５を介して金属板３０が接合されている。金属板２０、３０も銅で作られている。

樹脂製のパッケージ１０は、一対の金属板２０、３０のそれぞれの半導体素子３とは反対側の面を露出させつつ半導体素子３と一対の金属板２０、３０とスペーサブロック４を封止している。図１に示すように、パッケージ１０は、金属板２０の法線方向（図中の座標系のＸ方向）からみて略矩形形状を有している扁平体である。扁平体の一方の幅広面に金属板２０の一面が露出しており、他方の幅広面に金属板３０の一面が露出している。

パッケージ１０の一つの幅狭面から正極端子２１と負極端子３１が突出している。図では示されていないが、正極端子２１は、パッケージ１０の内部で金属板２０とつながっており、負極端子３１は、パッケージ１０の内部で金属板３０とつながっている。正極端子２１と負極端子３１のそれぞれに、別のデバイスの正極と負極が電気的に接続される。金属板２０、３０は、半導体素子３の熱をパッケージ１０の外部に放出する放熱板の役割を担っているとともに、半導体素子３の電極をパッケージ１０の外へ延びている端子２１、３１に導通させる導電経路を兼ねている。

パッケージ１０の別の幅狭面からは制御端子９が延びている。図では表れていないが、制御端子９の一つは、パッケージ１０の内部で半導体素子３のゲート電極に接続されている。制御端子９の別の一つは、パッケージ１０の内部で半導体素子３のセンスエミッタ電極に接続されている。他の制御端子９は、パッケージ１０の内部の温度センサ（不図示）などに接続されている。

先に述べたように、パッケージ１０は金属板２０の法線方向からみたときに、矩形短辺１２と矩形長辺１３を有する略矩形状をなしている。図２は、矩形短辺１２を横断する平面で半導体装置２をカットした断面図である。

図２に示されているように、パッケージ１０の矩形短辺１２に沿っている金属板２０の端面の半導体素子３の側の角にフィレット２２が設けられている。同様に、矩形短辺１２に沿っている金属板３０の端面の半導体素子３の側の角にフィレット３２が設けられている。「フィレット」は、別言すれば、面取り（チャンファ）である。さらに別言すれば、金属板２０、３０の端面の半導体素子３の側の角が削られている。

図３に、図２の破線矩形領域IIIの拡大図を示す。図３でも、パッケージ１０は、その輪郭のみを仮想線で示してある。図３において一点差線は、フィレット３２を設ける前の金属板３０の端面３４（矩形短辺１２に沿って延びている端面）を示している。端面３４を示す一点差線とフィレット３２で囲まれた領域が、削り取られた領域である。フィレット２２、３２を設けることで、フィレット２２、３２が設けられていない場合と比較して、金属板２０、３０の端面の半導体素子３の側の角に相当する領域にパッケージ１０の樹脂が充填される。フィレット２２、３２を設けることで、フィレット２２、３２が設けられていない半導体装置と比較して、金属板２０、３０の周囲の樹脂の量が増えるので、パッケージ１０の強度が向上する。

先に述べたように、金属板２０、３０は、放熱板を兼ねている。半導体素子３の温度変化に伴って金属板２０、３０が膨張・収縮を繰り返す。金属板２０、３０と樹脂製のパッケージ１０は線膨張係数が異なるので、金属板２０、３０の変形に伴い、パッケージ１０の金属板２０、３０との境界付近に応力が発生する。金属板２０、３０の端面にフィレット２２、３２を設け、金属板２０、３０とパッケージ１０の境界付近において樹脂の量を増やすことでパッケージ１０の強度が向上し、金属板２０、３０の繰り返し変形に対するパッケージ１０の劣化の進行を抑えることができる。

また、フィレット２２、３２を設けることで、パッケージ１０のフィレット２２、３２に接する部位もフィレット状になり、応力集中が緩和される。この点も、パッケージ１０の強度向上に貢献する。

図３において破線Ｌｔは、金属板３０の法線を示している。破線Ｌｓは、半導体素子３のフィレット３２に近い縁３ａ（図３ではハンダ層５のフィレット３２に近い縁）から法線Ｌｔに対してフィレット３２の側へ４５度の角度で延ばした平面を示している。図３に示されているように、フィレット３２は、平面（破線Ｌｓ）に対して半導体素子３とは反対側に位置している。半導体素子３の熱は、金属板３０の内部を金属板３０の厚み方向（法線Ｌｔの方向）に放射状に拡がる。別言すれば、半導体素子３の熱は、半導体素子３の縁３ａから法線Ｌｔに対して外側に４５度の角度で拡がる。すなわち、半導体素子３の放熱経路は、破線Ｌｓよりも半導体素子３の側を通る。フィレット３２は、半導体素子３の放熱経路を邪魔しないので、半導体素子３に対する金属板３０の放熱性能を低下させることがない。別言すれば、放熱経路が金属板３０から外れないため、フィレット３２が放熱性能を低下させることがない。図３の反対側のフィレット３２と半導体素子３の縁の関係も同様である。

スペーサブロック４に接合されている金属板２０についても同様である。すなわち、フィレット２２は、スペーサブロック４の当該フィレット２２に近い縁から法線に対してフィレット２２の側へ４５度の角度で延ばした平面に対してスペーサブロック４とは反対側に位置している。

（第１変形例）図４に、第１変形例の半導体装置２ａの断面図を示す。図４の断面は、図３の断面に対応する。半導体装置２ａでは、金属板１３０の端面に設けられたフィレット１３２の形状が実施例の半導体装置２のフィレット３２と異なる。そのほかの構造は実施例の半導体装置２と同様である。図４における一点差線は、フィレット１３２を設ける前の金属板１３０の形状（端面１３４）を示している。図４に示されているように、フィレット１３２を設ける前の金属板１３０は、パッケージ１０の矩形短辺１２に近い端面１３４に段差１３３を有している。金属板１３０は、段差１３３よりも半導体素子３に近い側にフィレット１３２を有している。フィレット１３２は、パッケージ１０の矩形短辺１２に沿っている金属板１３０の端面１３４の半導体素子３の側の角に設けられている。また、フィレット１３２は、破線Ｌｓが示す平面（半導体素子３のフィレット１３２に近い縁から法線Ｌｔに対してフィレット１３２の側へ４５度の角度で延ばした平面）の半導体素子３とは反対側に位置している。図４の半導体装置２ａも、実施例の半導体装置２と同じ効果を奏する。金属板１３０とは反対側の金属板についても同様にフィレットが設けられているとよい。

（第２変形例）図５に、第２変形例の半導体装置２ｂの断面図を示す。図５の断面は、図３の断面に対応する。半導体装置２ｂでは、金属板２３０の端面に設けられたフィレット２３２の形状が実施例の半導体装置２のフィレット３２と異なる。そのほかの構造は実施例の半導体装置２と同様である。フィレット２３２は階段状である。実施例の半導体装置２と同様に、フィレット２３２を設けることで、金属板２３０の端面の削られた領域に樹脂が満たされるので、パッケージ１０の強度が向上する。フィレット２３２を設けることで、金属板２０とパッケージ１０の線膨張係数の差に起因する応力は金属板２３０の端面２３４に複数の角部に分散する。この点も、パッケージ１０の強度向上に貢献する。ただし、直角な角部が多いので、実施例の半導体装置２と比較すると、パッケージ１０の強度向上への寄与は小さい。

また、フィレット２３２は、破線Ｌｓが示す平面（半導体素子３のフィレット２３２に近い縁から法線Ｌｔに対してフィレット２３２の側へ４５度の角度で延ばした平面）の半導体素子３とは反対側に位置している。図５の半導体装置２ｂも、実施例の半導体装置２と同じ効果を奏する。金属板２３０とは反対側の金属板についても同様にフィレットが設けられているとよい。

（第３変形例）図６に、第３変形例の半導体装置２ｃの断面図を示す。図６の断面は、図３の断面に対応する。半導体装置２ｃでは、金属板３３０の端面に設けられたフィレット３３２の形状が実施例の半導体装置２のフィレット３２と異なる。そのほかの構造は実施例の半導体装置２と同様である。フィレット３３２は、金属板３３０の外側に膨らむ曲面である。また、フィレット３３２は、破線Ｌｓが示す平面の半導体素子３とは反対側に位置している。図６の半導体装置２ｃも、実施例の半導体装置２と同じ効果を奏する。

フィレット３３２は、金属板３３０の端面３３４に対して滑らかに連続しているとともに、半導体素子３に面している幅広面３３５に対しても滑らかに連続している。それゆえ、フィレット３３２は、応力緩和効果が大きい。金属板３３０とは反対側の金属板についても同様にフィレットが設けられているとよい。

（第４変形例）図７に、第４変形例の半導体装置２ｄの断面図を示す。図７の断面は、図３の断面に対応する。半導体装置２ｄでは、金属板４３０の端面に設けられたフィレット４３２の形状が実施例の半導体装置２のフィレット３２と異なる。そのほかの構造は実施例の半導体装置２と同様である。フィレット４３２は、金属板３３０の内側に膨らむ曲面である。また、フィレット４３２は、破線Ｌｓが示す平面の半導体素子３とは反対側に位置している。図７の半導体装置２ｄも、実施例の半導体装置２と同じ効果を奏する。金属板４３０とは反対側の金属板についても同様にフィレットが設けられているとよい。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例の半導体装置はいずれも、パッケージ１０の矩形短辺１２に沿った金属板の端面の半導体素子３の側の角にフィレットが設けられている。パッケージ１０の矩形長辺１３（図１参照）に沿った金属板の端面の半導体素子３の側の角にフィレットが設けられていてもよい。

半導体素子を挟み込んだ一対の金属板の複数の組が金属板の外側面を露出させつつパッケージに封止されている半導体素子も知られている。そのような場合、各金属板の端面の半導体素子側の角にフィレットが設けられているとよい。少なくとも、各金属板のパッケージの外縁に近い端面の半導体素子側の角にフィレットが設けられているとよい。

半導体素子を挟み込んでいる一対の金属板の少なくとも一方の金属板に上記したフィレットが設けられていればよい。

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、２ａ−２ｄ：半導体装置
４：スペーサブロック
５：ハンダ層
１０：パッケージ
１２：矩形短辺
１３：矩形長辺
２０、３０、１３０、２３０、３３０、４３０：金属板
２２、３２、１３２、２３２、３３２、４３２：フィレット
３４、１３４、２３４、３３４：端面

Claims

半導体素子と、
前記半導体素子を挟んでいる一対の金属板と、
一対の前記金属板の前記半導体素子とは反対側の面を露出させつつ前記半導体素子と一対の前記金属板を封止している樹脂製のパッケージと、
を備えており、
前記パッケージは、前記金属板の法線方向からみて略矩形をなしており、
前記パッケージの矩形短辺に沿っている前記金属板の端面の前記半導体素子側の角にフィレットが設けられている、半導体装置。
前記フィレットは、前記半導体素子の当該フィレットに近い縁から前記法線に対して前記フィレットの側へ４５度の角度で延ばした平面に対して前記半導体素子とは反対側に位置している、請求項１に記載の半導体装置。