JP2020145271A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体装置の耐久性に与える影響を抑制しつつ、金属板に粗面化エリアを設ける。【解決手段】 半導体装置は、半導体素子と、半導体素子を封止する封止体と、封止体によって保持された金属板とを備える。金属板は、封止体の内部に位置する内側部分と、封止体の外部に位置する外側部分とを有する。金属板の一表面は、非粗面化エリアと、非粗面化エリアよりも表面粗さの大きい粗面化エリアとを有する。非粗面化エリアは、金属板の内側部分と外側部分との両者に亘って延びている。【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、半導体素子を封止する封止体と、封止体によって保持された金属板とを備える。金属板の一表面には、封止体との密着性を高めるために、レーザ照射による粗面化エリアが設けられている。

特開２０１６−１９７７０６号公報

金属板の表面に粗面化エリアを設けると、金属板の機械的強度が変化することによって、半導体装置の耐久性に影響を与えるおそれがある。このような懸念は、レーザ照射に限られず、様々な手法による粗面化にも共通し得る。本明細書では、半導体装置の耐久性に与える影響を抑制しつつ、金属板に粗面化エリアを設けるための技術を提供する。

本明細書が開示する半導体装置は、半導体素子と、半導体素子を封止する封止体と、封止体によって保持された金属板とを備える。金属板は、封止体の内部に位置する内側部分と、封止体の外部に位置する外側部分とを有する。金属板の一表面は、非粗面化エリアと、非粗面化エリアよりも表面粗さの大きい粗面化エリアとを有する。非粗面化エリアは、金属板の内側部分と外側部分との両者に亘って延びている。

上記した半導体装置では、金属板が、封止体の内部に位置する内側部分と、封止体の外部に位置する外側部分とを有している。このような構成であると、封止体の外部に位置する外側部分に、意図せず外力が作用することがある。金属板の外側部分に外力が作用すると、金属板の内側部分と外側部分との間の境界（即ち、外側部分の根元）において、比較的に大きな応力が生じ得る。従って、そのような部分に粗面化エリアが設けられていると、半導体装置の耐久性に影響を与えるおそれが高くなる。この点に関して、本明細書が開示する半導体装置では、非粗面化エリアが、金属板の内側部分と外側部分との両者に亘って延びている。このように、金属板の内側部分と外側部分との間の境界では、少なくとも部分的に非粗面化エリアが設けられていると、半導体装置の耐久性に与える影響を抑制しつつ、金属板に粗面化エリアを設けることができる。

実施例の半導体装置１０の外観を示す平面図。 図１中のＩＩ−ＩＩ線における断面図。 金属板３０を示す平面図。 図３中のＩＶ−ＩＶ線における断面図。 半導体装置１０における金属板３０の要部を拡大して示す図。 他の実施例の半導体装置１０ａにおける金属板３０の要部を拡大して示す図。 他の実施例の半導体装置１０ｂにおける金属板３０の要部を拡大して示す図。

本技術の一実施形態において、粗面化エリアの少なくとも一部は、封止体の内部に位置しており、非粗面化エリアの少なくとも一部は、封止体の外部に位置してもよい。この場合、粗面化エリアと非粗面化エリアとの間の境界の少なくとも一部が、封止体の内部に位置してもよい。このような構成は、粗面化エリアを、金属板の主に内側部分に設ける場合に有効である。粗面化エリアを、金属板の内側部分に設けることで、例えば金属板と封止体との間の密着性を高めることができる。

上記した実施形態では、粗面化エリアと非粗面化エリアとの間の境界の全部が、封止体の内部に位置していてもよい。このような構成によると、半導体装置の耐久性に与える影響を十分に抑制しつつ、金属板に粗面化エリアを設けることができる。

本技術の一実施形態において、金属板の前記した一表面は、半導体素子が実装された実装エリアをさらに有してもよい。この場合、粗面化エリアは、封止体の内部において、実装エリアを取り囲んでいてもよい。このような構成によると、実装エリアを取り囲む粗面化エリアに、封止体が強く密着することによって、封止体による半導体素子の密封性を高めることができる。

上記した実施形態では、金属板が、実装エリアを有する厚肉部分と、厚肉部分から封止体の外部へ延びるとともに厚肉部分よりも厚みの小さい薄肉部分とを有してもよい。この場合、粗面化エリアと非粗面化エリアとの間の境界は、薄肉部分に位置していてもよい。このような構成によると、金属板の広い範囲に粗面化エリアを設けることができ、封止体による半導体素子の密封性をより高めることができる。

上記した実施形態では、薄肉部分が、厚肉部分から延びる幅広部分と、幅広部分から封止体の外部へ延びる幅狭部分とを有してもよい。この場合、粗面化エリアと非粗面化エリアとの間の境界は、幅狭部分に位置してもよい。このような構成によると、封止体による半導体素子の密封性を維持しながら、半導体装置の電気的特性（例えば、インダクタンス）を向上することができる。

本技術の一実施形態において、粗面化エリアにおける比表面積（Ｓａ）は、５〜１６であってよい。一例ではあるが、このような微細な凹凸を有する粗面化エリアは、例えばレーザ照射によって形成することができ、その詳細は、例えば特開２０１６−１９７７０６号公報（特許文献１）に開示されている。

本技術の他の実施形態では、粗面化エリアが、金属板の主に外側部分に設けられてもよい。即ち、粗面化エリアの一部又は全部が、封止体の外部に位置しており、非粗面化エリアの一部又は全部が、封止体の内部に位置してもよい。そして、粗面化エリアと非粗面化エリアとの間の境界の少なくとも一部が、封止体の外部に位置してもよい。粗面化エリアを設ける目的や、そのための粗面化エリアの具体的な構成については、特に限定されない。いずれの場合においても、非粗面化エリアが、金属板の内側部分と外側部分との両者に亘って延びていればよい。

図面を参照して、実施例の半導体装置１０を説明する。本実施例の半導体装置１０は、例えば電気自動車の電力制御装置に採用され、コンバータやインバータといった電力変換回路の一部を構成することができる。なお、本明細書における電気自動車は、車輪を駆動するモータを有する自動車を広く意味し、例えば、外部の電力によって充電される電気自動車、モータに加えてエンジンを有するハイブリッド車、及び燃料電池を電源とする燃料電池車等を含む。

図１、図２に示すように、半導体装置１０は、半導体素子１２と、半導体素子１２を封止する封止体１４とを備える。封止体１４は、絶縁性の材料で構成されている。特に限定されないが、本実施例における封止体１４は、例えばエポキシ樹脂といった、封止用材料で構成されている。封止体１４は、概して板形状を有しており、上面１４ａ、下面１４ｂ、第１端面１４ｃ、第２端面１４ｄ、第１側面１４ｅ及び第２側面１４ｆを有する。

半導体素子１２は、パワー半導体素子であって、半導体基板１２ａと上面電極１２ｂと下面電極１２ｃとを有する。上面電極１２ｂは、半導体基板１２ａの上面に位置しており、下面電極１２ｃは、半導体基板１２ａの下面に位置している。上面電極１２ｂと下面電極１２ｃは、半導体基板１２ａを介して互いに電気的に接続される。特に限定されないが、本実施例における半導体素子１２は、スイッチング素子であり、上面電極１２ｂと下面電極１２ｃとの間を、選択的に導通及び遮断することができる。上面電極１２ｂ及び下面電極１２ｃは、例えばアルミニウム、ニッケル、金といった、金属を用いて構成されている。

一例ではあるが、本実施例における半導体素子１２は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）とダイオードとが一体化されたＲＣ（Reverse Conducting）−ＩＧＢＴである。上面電極１２ｂは、ＩＧＢＴのエミッタ及びダイオードのアノードに接続されており、下面電極１２ｃは、ＩＧＢＴのコレクタ及びダイオードのカソードに接続されている。なお、他の実施形態として、半導体素子１２は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）であってもよい。この場合、上面電極１２ｂは、ＭＯＳＦＥＴのソースに接続され、下面電極１２ｃは、ＭＯＳＦＥＴのドレインに接続される。

半導体装置１０は、第１導体板１６と第２導体板１８とをさらに備える。第１導体板１６と第２導体板１８は、封止体１４によって保持されており、半導体素子１２を挟んで互いに対向している。第１導体板１６の上面１６ａは、封止体１４の内部に位置しており、半導体素子１２の下面電極１２ｃと電気的に接続されている。第１導体板１６の下面１６ｂは、封止体１４の下面１４ｂに露出している。これにより、第１導体板１６は、半導体素子１２と電気的に接続された回路の一部を構成するとともに、半導体素子１２の熱を外部へ放出する放熱板としても機能することができる。なお、特に限定されないが、第１導体板１６の上面１６ａと、半導体素子１２の下面電極１２ｃとの間は、はんだ付けによって接合されている。

同様に、第２導体板１８の下面１８ｂは、封止体１４の内部に位置しており、半導体素子１２の上面電極１２ｂと電気的に接続されている。但し、第２導体板１８の下面１８ｂと、半導体素子１２の上面電極１２ｂとの間には、導体スペーサ２０が介挿されている。第２導体板１８の上面１８ａは、封止体１４の上面１４ａに露出している。これにより、第２導体板１８についても、半導体素子１２と電気的に接続された回路の一部を構成するとともに、半導体素子１２の熱を外部へ放出する放熱板としても機能することができる。なお、特に限定されないが、第２導体板１８の下面１８ｂと導体スペーサ２０との間は、はんだ付けによって接合されている。また、導体スペーサ２０と半導体素子１２の上面電極１２ｂとの間も、はんだ付けによって接合されている。

半導体装置１０は、第１電力端子２２と、第２電力端子２４と、複数の信号端子２６とを備える。第１電力端子２２及び第２電力端子２４は、封止体１４の第１端面１４ｃから突出している。第１電力端子２２は、封止体１４の内部において第１導体板１６と電気的に接続されており、第２電力端子２４は、封止体１４の内部において第２導体板１８と電気的に接続されている。これにより、第１電力端子２２と第２電力端子２４との間は、半導体素子１２を介して電気的に接続されている。複数の信号端子２６は、封止体１４の第２端面１４ｄから突出している。各々の信号端子２６は、半導体素子１２の信号パッド（図示省略）と電気的に接続されている。

図３、図４に示すように、第１導体板１６と第１電力端子２２は、金属板３０によって一体に構成されている。金属板３０を構成する具体的な金属については特に限定されない。一例ではあるが、本実施例における金属板３０は、銅で構成された母材３０ａの両面に、ニッケル膜３０ｂが形成されている。金属板３０は、厚肉部分３２と薄肉部分３４とを有する。薄肉部分３４は、厚肉部分３２よりも厚みが小さく、厚肉部分３２から細長く延びている。厚肉部分３２は、半導体装置１０において第１導体板１６を構成し、薄肉部分３４は、半導体装置１０において第１電力端子２２を構成する。なお、他の実施形態として、金属板３０は、全体に亘って一定の厚みを有してもよい。

金属板３０の一表面４０は、実装エリア４０ａと粗面化エリア４０ｂと非粗面化エリア４０ｃとを有する。実装エリア４０ａは、半導体装置１０において、半導体素子１２が実装される範囲である。実装エリア４０ａは、金属板３０の厚肉部分３２（即ち、第１導体板１６）に位置している。粗面化エリア４０ｂは、レーザ照射によって粗面化された範囲である。粗面化エリア４０ｂは、主に厚肉部分３２に設けられており、実装エリア４０ａを取り囲んでいる。但し、粗面化エリア４０ｂの一部は、薄肉部分３４（即ち、第１電力端子２２）に位置している。金属板３０に粗面化エリア４０ｂが設けられていると、金属板３０と封止体１４との間の密着性が高まることで、封止体１４による半導体素子１２の密封性が向上する。

非粗面化エリア４０ｃは、レーザ照射による粗面化が施されていない範囲である。そのことから、粗面化エリア４０ｂは、非粗面化エリア４０ｃよりも表面粗さが大きい範囲と定義される。非粗面化エリア４０ｃは、金属板３０の薄肉部分３４に位置している。従って、粗面化エリア４０ｂと非粗面化エリア４０ｃとの間の境界４０ｘも、金属板３０の薄肉部分３４に位置している。ここで、粗面化エリア４０ｂにおける表面粗さの程度については、特に限定されない。一例ではあるが、粗面化エリア４０ｂにおける比表面積Ｓａは５〜１６であってもよく、それにより、金属板３０と封止体１４との間の密着性を十分に高めることができる。

図５に示すように、半導体装置１０に組み込まれた金属板３０は、封止体１４の内部に位置する内側部分３６と、封止体１４の外部に位置する外側部分３８とを有する。このような構成であると、封止体１４の外部に位置する外側部分３８に、意図せず外力が作用することがある。金属板３０の外側部分３８に外力が作用すると、金属板３０の内側部分３６と外側部分３８との間の境界３０ｘ（即ち、外側部分３８の根元）において、比較的に大きな応力が生じ得る。従って、そのような部分に粗面化エリア４０ｂが設けられていると、半導体装置１０の耐久性に影響を与えるおそれが高くなる。粗面化エリア４０ｂでは、非粗面化エリア４０ｃと比較して、金属板３０の機械的強度が変化し得るためである。

上記の点に関して、本実施例の半導体装置１０では、粗面化エリア４０ｂと非粗面化エリア４０ｃとの間の境界４０ｘが、封止体１４の内部に位置しており、非粗面化エリア４０ｃが、金属板３０の内側部分３６と外側部分３８との両者に亘って延びている。このように、金属板３０の内側部分３６と外側部分３８との間の境界３０ｘでは、少なくとも部分的に非粗面化エリア４０ｃが設けられていると、半導体装置１０の耐久性に与える影響を抑制しつつ、金属板３０に粗面化エリア４０ｂを設けることができる。特に限定されないが、同様の金属板３０は、第２導体板１８及び第２電力端子２４にも採用されている。即ち、第２導体板１８及び第２電力端子２４についても、同様の金属板３０によって一体に構成されている。

粗面化エリア４０ｂと非粗面化エリア４０ｃとの間の境界４０ｘと、金属板３０の内側部分３６と外側部分３８との間の境界３０ｘとの間の距離Ｄは、特に限定されないが、例えば１．５ミリメートル以上とすることができる。

図６に示すように、他の実施例の半導体装置１０ａでは、金属板３０の薄肉部分３４が、厚肉部分３２から延びる幅広部分３４ａと、幅広部分３４ａから封止体１４の外部へ延びる幅狭部分３４ｂとを有してもよい。この場合、粗面化エリア４０ｂと非粗面化エリア４０ｃとの間の境界４０ｘは、幅狭部分３４ｂに位置するとよい。このような構成によると、封止体１４による半導体素子１２の密封性を維持しながら、第１電力端子２２（又は第２電力端子２４）を部分的に拡幅することによって、半導体装置１０の電気的特性（例えば、インダクタンス）を向上することができる。

上述した半導体装置１０、１０ａでは、粗面化エリア４０ｂと非粗面化エリア４０ｃとの間の境界４０ｘの全部が、封止体１４の内部に位置している。このような構成によると、半導体装置１０の耐久性に与える影響を十分に抑制しつつ、金属板３０に粗面化エリア４０ｂを設けることができる。しかしながら、図７に示すように、他の実施例の半導体装置１０ｂでは、粗面化エリア４０ｂと非粗面化エリア４０ｃとの間の境界４０ｘの一部が、封止体１４の外部に位置していてもよい。このような構成であっても、非粗面化エリア４０ｃが、金属板３０の内側部分３６と外側部分３８との両者に亘って延びていることで、半導体装置１０の耐久性に与える影響を少なくとも部分的に抑制することができる。

なお、図７に示す半導体装置１０ｂに関して、金属板３０の内側部分３６と外側部分３８との間の境界３０ｘでは、金属板３０の幅方向Ｗの中央部分Ｙにおいて、比較的に大きな応力が発生しやすい。従って、粗面化エリア４０ｂと非粗面化エリア４０ｃとの間の境界４０ｘの一部を封止体１４の外部に位置させる場合でも、当該中央部分Ｙについては非粗面化エリア４０ｃとすることが有効である。なお、ここでいう中央部分Ｙとは、金属板３０の内側部分３６と外側部分３８との間の境界３０ｘを含み、かつ、金属板３０の幅方向Ｗの中央を含む部分を意味する。

上述した半導体装置１０、１０ａ、１０ｂでは、金属板３０が、厚肉部分３２と薄肉部分３４とを有しており、粗面化エリア４０ｂと非粗面化エリア４０ｃとの間の境界４０ｘが、薄肉部分３４に位置している。このような構成によると、金属板３０の広い範囲に粗面化エリア４０ｂを設けることができ、封止体１４による半導体素子１２の密封性をより高めることができる。しかしながら、他の実施形態として、粗面化エリア４０ｂと非粗面化エリア４０ｃとの間の境界４０ｘの一部又は全部が、薄肉部分３４ではなく、厚肉部分３２に位置してもよい。

上述した半導体装置１０、１０ａ、１０ｂでは、金属板３０と封止体１４との間の密着性を向上するために、粗面化エリア４０ｂが金属板３０の主に内側部分３６に設けられている。しかしながら、他の実施形態として、粗面化エリア４０ｂは、金属板３０の主に外側部分３８に設けられてもよい。この場合、例えば粗面化エリア４０ｂの全部が封止体１４の外部に位置し、非粗面化エリア４０ｃの全部が封止体１４の内部に位置してもよい。そして、粗面化エリア４０ｂと非粗面化エリア４０ｃとの間の境界４０ｘの全体が、封止体１４の外部に位置してもよい。粗面化エリア４０ｂを設ける目的や、そのための粗面化エリア４０ｂの具体的な構成については、特に限定されない。いずれの場合においても、非粗面化エリア４０ｃが、金属板３０の内側部分３６と外側部分３８との両者に亘って延びていることで、粗面化エリア４０ｂが半導体装置１０の耐久性に与える影響を有意に抑制することができる。

上述した半導体装置１０、１０ａ、１０ｂでは、金属板３０が、半導体装置１０において第１導体板１６及び第１電力端子２２（又は、第２導体板１８及び第２電力端子２４）を構成する。しかしながら、本明細書で開示する技術は、このような金属板３０に限られず、封止体１４から突出する様々な金属板にも同様に適用することができる。例えば、その金属板は、各々の信号端子２６を構成するものであってもよいし、第１電力端子１６（又は第２電力端子２４）のみを構成するものであってもよい。あるいは、その金属板は、半導体素子１２と電気的に接続された端子でなくてもよい。

以上、本明細書が開示する技術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り、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示した技術は、複数の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：半導体素子
１４：封止体
１６：第１導体板
１８：第２導体板
２０：導体スペーサ
２２：第１電力端子
２４：第２電力端子
２６：信号端子
３０：金属板
３２：金属板の厚肉部分
３４：金属板の薄肉部分
３６：金属板の内側部分
３８：金属板の外側部分
４０：金属板の一表面
４０ａ：実装エリア
４０ｂ：粗面化エリア
４０ｃ：非粗面化エリア

Claims (7)

1. 半導体素子と、
   前記半導体素子を封止する封止体と、
   前記封止体によって保持された金属板と、を備え、
   前記金属板は、前記封止体の内部に位置する内側部分と、前記封止体の外部に位置する外側部分とを有し、
   前記金属板の一表面は、非粗面化エリアと、前記非粗面化エリアよりも表面粗さの大きい粗面化エリアとを有し、
   前記非粗面化エリアは、前記金属板の前記内側部分と前記外側部分との両者に亘って延びている、
   半導体装置。
2. 前記粗面化エリアの少なくとも一部は、前記封止体の内部に位置しており、
   前記非粗面化エリアの少なくとも一部は、前記封止体の外部に位置しており、
   前記粗面化エリアと前記非粗面化エリアとの間の境界の少なくとも一部が、前記封止体の内部に位置している、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記粗面化エリアと前記非粗面化エリアとの間の前記境界の全部が、前記封止体の内部に位置している、請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記金属板の前記一表面は、前記半導体素子が実装された実装エリアをさらに有し、
   前記粗面化エリアは、前記封止体の内部において、前記実装エリアを取り囲んでいる、請求項２又は３に記載の半導体装置。
5. 前記金属板は、前記実装エリアを有する厚肉部分と、前記厚肉部分から前記封止体の外部へ延びるとともに前記厚肉部分よりも厚みの小さい薄肉部分とを有し、
   前記粗面化エリアと前記非粗面化エリアとの間の前記境界は、前記薄肉部分に位置している、請求項４に記載の半導体装置。
6. 前記薄肉部分は、前記厚肉部分から延びる幅広部分と、前記幅広部分から前記封止体の外部へ延びる幅狭部分とを有し、
   前記粗面化エリアと前記非粗面化エリアとの間の前記境界は、前記幅狭部分に位置している、請求項５に記載の半導体装置。
7. 前記粗面化エリアにおける比表面積（Ｓａ）は５〜１６である、請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体装置。

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