JP2021097113A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置において、熱応力による半導体素子の損傷を防止する。【解決手段】半導体装置であって、半導体素子と、半導体素子の電極にアルミニウムシートを介して接合された導体部材とを備え、電極とアルミニウムシートとの間、及び、アルミニウムシートと導体部材との間には、液相拡散接合層又は銀粒子焼結接合層による接合層が形成されており、導体部材の接合層に接する面の周縁には、少なくとも部分的に切欠き部が形成されている。【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、半導体装置が開示されている。この半導体装置は、半導体素子に、接合層を介して接合された基材を備える。接合層は鉛（Ｐｂ）を含有しないはんだ（いわゆる鉛フリーはんだ）によって形成される。

特開２０１５−１３５９５６号公報

一般に、半導体装置では、半導体素子や基材といった構成要素の線膨張係数が互いに相違することから、高温環境下において、その線膨張係数の相違に起因する熱応力が発生する。この熱応力は、接合層やその近傍において高まりやすく、そこを起点として発生した亀裂によって、半導体素子が損傷を受けるおそれがある。この点において、接合層が鉛を含有するはんだで形成されていれば、自身の塑性変形によって、接合層は熱応力の緩和に有効に機能する。それに対して、鉛（Ｐｂ）を含有しないはんだは、Ｐｂを含有するものと比較して、塑性変形し難いという特徴を有する。従って、上記した半導体装置のように、接合層が鉛を含有しないはんだで形成されていると、接合層における熱応力の緩和効果が低いために、接合層やその近傍で亀裂が発生しやすく、半導体素子が損傷を受けるおそれが高くなる。本明細書では、このような問題を解決又は少なくとも軽減し得る技術を提供する。

本明細書が開示する半導体装置は、半導体素子と、半導体素子の電極に、アルミニウムシートを介して接合された導体部材とを備え、電極とアルミシートとの間、及びアルミニウムシートと導体部材との間には、液相拡散接合層又は銀粒子焼結接合層による接合層が形成されており、導体部材の接合層に接する面の周縁には、少なくとも部分的に切欠き部が形成されている。

アルミニウムシートは延性を有するため、熱応力に対して応力緩和部として作用する。さらには、アルミニウムシートは、液相拡散接合層又は銀粒子焼結接合層といった、当該アルミニウムシートよりも機械的強度が高い接合層を介して、半導体素子の電極や導体部材に接合されている。このような構成によると、半導体装置の内部で過大な熱応力が発生したときに、アルミニウムシートで優先的に亀裂が発生しやすく、半導体素子が損傷を受けることが抑制される。但し、アルミニウムシートの亀裂が、半導体素子側の界面で発生してしまうと、その亀裂が半導体素子にも進展するおそれが生じる。そのことから、アルミニウムシートに対して半導体素子とは反対側に位置する導体部材には、接合層に接する面の周縁に、切欠き部が形成されている。このような構成によると、アルミニウムシートに生じる熱応力を、当該切欠き部の近傍で意図的に集中させることができ、アルミニウムシートの亀裂を、半導体素子とは反対側の界面で発生させることができる。このように、本明細書が開示する半導体装置の構造によると、熱応力による半導体素子の損傷を有意に抑制することができる。

実施例の半導体装置１０の内部構造を模式的に示す断面図。 図１中のＩＩ部の拡大図。 図２中のＩＩＩ部の拡大図。 実施例の半導体装置１０に発生した亀裂５０を模式的に示す断面図。 比較例の半導体装置に発生した亀裂５０を模式的に示す断面図。 切欠き部２５の寸法を示す図。

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。半導体装置１０は電力制御装置に採用され、例えばインバータやコ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。ここでいう電力制御装置は、特に限定されないが、例えば電気自動車や、ハイブリッド自動車や、燃料電池車等に搭載され、電源とモータとの間で電力変換を行うものであってよい。

図１に示すように、半導体装置１０は、半導体素子２０及び封止体１２を備える。半導体素子２０は、封止体１２の内部に封止されている。封止体１２は、例えばエポキシ樹脂といった絶縁性を有する材料を用いて構成されている。半導体素子２０は、パワー半導体素子であって、一対の主電極２０ａと２０ｂと、一又は複数の信号パッド２０ｃを有する。一対の主電極２０ａ、２０ｂは、電力回路用の電極であって、第１主電極と第２主電極とを含む。第１主電極２０ａ及び信号パッド２０ｃは、半導体素子２０の一方の表面に位置しており、第２主電極２０ｂは、半導体素子２０の他方の表面に位置している。

半導体素子２０は、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）又は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）といった、一対の主電極２０ａ、２０ｂの間を電気的に導通及び遮断するスイッチング素子である。但し、半導体素子２０の数や種類については、特に限定されない。半導体素子２０を構成する半導体材料には、例えばケイ素（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）又は他の種類の半導体材料を採用することができる。

一対の主電極２０ａ、２０ｂ及び信号パッド２０ｃは、アルミニウム系又は他の金属といった導体材料を用いて構成されている。信号パッド２０ｃは、信号回路用の電極であって、前述したように、第１主電極２０ａと同じく、半導体素子２０の前記一方の表面に位置している。

半導体装置１０は、封止体１２の内外に亘って延びる信号端子４０をさらに備える。信号端子４０は、封止体１２の内部において、ボンディングワイヤ４２を介して信号パッド２０ｃに接続されている。

図１から図２に示すように、半導体装置１０は、上側アルミニウムシート２６と下側アルミニウムシート２８と、導体部材２４と、放熱板２２、３０をさらに備える。上側アルミニウムシート２６と下側アルミニウムシート２８は、半導体素子２０を介して互いに対向している。半導体素子２０の第１主電極２０ａは、上側アルミニウムシート２６に対向しており、第２接合層３３を介して上側アルミニウムシート２６の一方の表面（図中の下面）に接合されている。半導体素子２０の第２主電極２０ｂは、下側アルミニウムシート２８に対向しており、第３接合層３４を介して下側アルミニウムシート２８の一方の表面（図中の上面）に接合されている。下側アルミニウムシート２８の他方の表面（図中の下面）は、第４接合層３５を介して下側放熱板３０に接合されている。

導体部材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。導体部材２４は、封止体１２内に位置しており、導体部材２４の下面２４ｂは、第１接合層３２を介して上側アルミニウムシート２６の他方の表面（図中の上面）に接合されている。導体部材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。即ち、導体部材２４は、半導体素子２０に電気的に接続されている。下面２４ｂの周縁には、少なくとも部分的に切欠き部２５が形成されている。この切欠き部２５の作用効果については、後段において詳細に説明する。一方、導体部材２４の上面２４ａは、上側放熱板２２に第５接合層３６を介して接合されている。

上側放熱板２２及び下側放熱板３０は、例えば銅、アルミニウム、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。放熱板２２、３０は、概して直方体形状又は板形状の部材であり、上面と上面とは反対側に位置する下面を有する。上側放熱板２２の上面は、封止体１２の上面において外部に露出されている。また、上側放熱板２２の下面は、前述したように第５接合層３６を介して導体部材２４に接合されている。即ち上側放熱板２２は、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、上側放熱板２２は、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。

下側放熱板３０の下面は、封止体１２の下面において外部に露出されている。また、下側放熱板３０の上面は、前述したように第４接合層３５を介して下側アルミニウムシート２８に接合されている。即ち、下側放熱板３０は、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、下側放熱板３０も上側放熱板２２と同様に、半導体素子２０の熱を外部に放出する放熱板として機能する。

図３に示すように、第１接合層３２は層構造を有し、第１金属層３２ａと、中間層３２ｂと、第２金属層３２ｃを含む。第１接合層３２では、導体部材２４から離れる方向に向かって、第１金属層３２ａ、中間層３２ｂ、第２金属層３２ｃが順に並んでいる。第１接合層３２は、液相拡散接合法又は銀粒子焼結接合法によって形成されている。これらの接合手法（液相拡散接合法又は銀粒子焼結接合法）に使用される元素は、特に限定されない。例えば、ＮｉとＳｎを使用し、液相拡散接合層によって接合された場合、第１金属層３２ａはＮｉ層であり、中間層３２ｂはＮｉ−Ｓｎ合金層であり、第２金属層３２ｃはＮｉ層である。

図示省略しているが、本開示の半導体装置１０では、上側アルミニウムシート２６と第１主電極２０ａとの間の接合、及び下側アルミニウムシート２８と第２主電極２０ｂとの間の接合、及び下側アルミニウムシート２８と下側放熱板３０との間の接合、及び上側放熱板２２と上側アルミニウムシート２６との間の接合においても、上述した第１接合層３２と同様の層構造とすることができる。即ち、信号端子４０を除く半導体装置１０の構成要素をそれぞれを接合する接合層３２、３３、３４、３５、３６は、それぞれ液相拡散接合法又は銀粒子焼結接合法によって形成される層構造を有してよく、使用される元素は用途に応じて適宜採用されてよい。アルミニウムシート２６、２８は、延性を有する他の材料によって構成されてもよい。

一般に、半導体装置１０では、半導体素子２０や導体部材２４といった構成要素の線膨張係数が互いに相違することから、高温環境下において、その線膨張係数の相違に起因する熱応力が発生する。この熱応力は、一般に、接合層やその近傍において高まりやすく、そこを起点として発生した亀裂によって、半導体素子２０が損傷を受けるおそれがある。この点に関して、アルミニウムシート２６、２８は延性を有するため、熱応力に対して応力緩和部として作用する。さらには、アルミニウムシート２６、２８は、当該アルミニウムシート２６、２８よりも機械的強度が高い接合層３２、３３、３４、３５、３６を介して、半導体装置１０の構成要素である主電極２０ａ、２０ｂ又は導体部材２４に接合されている。このような構成によると、半導体装置１０の内部で過大な熱応力が発生したときに、アルミニウムシート２６、２８で優先的に亀裂（いわゆるクラック）が生じる。

この点に関して実施例では、図４に示すように、上側アルミニウムシート２６に対して半導体素子２０と反対側に位置する導体部材２４には、第１接合層３２に接する面の周縁の少なくとも一部に、切欠き部２５が形成されている。このような構成によると、上側アルミニウムシート２６に生じる熱応力を、当該切欠き部２５の近傍に意図的に集中させることができ、上側アルミニウムシート２６に発生する亀裂５０を、半導体素子２０とは反対側の界面、つまり第１接合層３２と接する界面で発生させることができる。

例えば、図５に示すように、仮に導体部材２４に切欠き部がない構造であると、半導体装置１０の内部で過大な熱応力が発生した場合、上側アルミニウムシート２６において亀裂５０が発生し、亀裂５０が半導体素子２０と接する界面で発生するおそれがある。そうすると、発生した亀裂５０が半導体素子２０にも進展し、半導体素子２０が損傷を受けるおそれがある。

図６を参照して、導体部材２４の寸法に対する切欠き部２５の寸法例を示す。導体部材２４の長さをＬｍｍとし、高さをＴｍｍとする。切欠き部２５の長さａは、０．００５ｍｍ以上かつＬの４分の１以下である。また切欠き部２５の高さｂは、具体的には０．００５ｍｍ以上かつＴの２分の１以下である。

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
１２：封止体
２０：半導体素子
２０ａ、２０ｂ：主電極
２０ｃ：信号電極
２２、３０：放射板
２４：構造部材
２５：切欠き部
２６、２８：アルミニウムシート
３２、３３、３４、３５、３６：接合層
３２ａ、３２ｃ：金属層
３２ｂ：中間層
４０：信号端子
４２：ボンディングワイヤ

Claims (1)

1. 半導体素子と、
   前記半導体素子の電極に、アルミニウムシートを介して接合された導体部材と、
   を備え、
   前記電極と前記アルミニウムシートとの間、及び、前記アルミニウムシートと前記導体部材との間には、液相拡散接合層又は銀粒子焼結接合層による接合層が形成されており、
   前記導体部材の前記接合層に接する面の周縁には、少なくとも部分的に切欠き部が形成されている、
   半導体装置。

Images