JP2021111719A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置において、導体スペーサの熱変形によって生じる、接合層や半導体素子の電極の熱応力を緩和する。【解決手段】半導体装置であって、一対の導体部材と、一対の導体部材の間に配置された半導体素子と、半導体素子と一方の導体部材との間に配置された導体スペーサと、を備え、導体スペーサは、半導体素子に接合された接合面を有し、接合面には、その周縁に沿ってスリットが設けられている。【選択図】図２

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、一対の導体部材と、一対の導体部材の間に配置された半導体素子と、半導体素子と一方の導体部材との間に配置された導体スペーサと、を備える。

特開２００５−２６８４９６号公報

上記した半導体装置では、半導体素子や導体スペーサといった構成要素が、互いに異なる線膨張係数を有する。従って、通電に伴って半導体装置の温度が上昇すると、それぞれの構成要素には、その線膨張係数の相違に起因して、互いに異なる熱変形が生じ得る。特に、金属等の導体で構成された導体スペーサと、主に半導体基板で構成された半導体素子との間では、それぞれに生じる熱変形の差が比較的に大きい。従って、それらの間に位置する接合層（例えば、はんだ層）や、その接合層に接する半導体素子の電極には、比較的に大きな熱応力が生じやすい。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、一対の導体部材と、一対の導体部材の間に配置された半導体素子と、半導体素子と一方の導体部材との間に配置された導体スペーサと、を備え、導体スペーサは、半導体素子に接合された接合面を有し、接合面には、その周縁に沿ってスリットが設けられている。

上記した半導体装置では、導体スペーサが、半導体素子との接合面にスリットを有する。導体スペーサがスリットを有していると、導体スペーサの剛性（弾性係数）が低下することで、導体スペーサに生じる熱応力が低下して、導体スペーサに生じる熱変形が抑制される。その結果、導体スペーサと半導体素子との間に位置する接合層や、その接合層に接する半導体素子の電極において、熱応力が緩和されることとなり、半導体装置の耐久性が向上する。

その一方で、導体スペーサにスリットが設けられると、導体スペーサの伝熱特性が低下するという問題がある。この点に関して、上記した半導体装置では、導体スペーサのスリットが、接合面の周縁に沿って設けられている。一般に、半導体素子の温度は、その中央部において最も高く、導体スペーサを通過する熱量も、接合面の中央部において最大となる。従って、接合面の中央部を避け、接合面の周縁に沿ってスリットを設けることで、導体スペーサの伝熱特性に与える影響を、有意に抑制することができる。

実施例の半導体装置１０の外観を示す平面図。 図１中のＩＩ−ＩＩ線における断面図であって、半導体装置１０の内部構造を模式的に示す図。 スリット４０の深さが、上面３０ａに到達していないものの一例を示す図。 図２中のＩＶ−ＩＶ線図における断面図であって、スリット４０の平面視における形状を示す図。 スリット４０の一例を示す図。 導体スペーサ３０が、リードフレームと一体化したものの一例を示す。 半導体装置１０の一変形例であって、直列に接続された二つの半導体素子２０が横並びに配置されたものを示す。 半導体装置１０の一変形例であって、直列に接続された二つの半導体素子２０が積層配置されたものを示す。 半導体装置１０の一変形例であって、導体部材２２、２４がＤＢＣで構成されたものを示す。

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、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及び図２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、２０ｂと、一又は複数の信号パッドとを有する。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）といったスイッチング素子であって、一対の主電極２０ａ、２０ｂの間を電気的に導通及び遮断することができる。但し、半導体素子２０の種類や数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。信号パッドは、封止体１２の内部において、後述する信号端子１８に接続されている。

半導体装置１０は、一対の導体部材２２、２４と、導体スペーサ３０とをさらに備える。一対の導体部材２２、２４は、上側導体部材２２と下側導体部材２４とを含み、半導体素子２０を介して互いに対向している。導体部材２２、２４と、導体スペーサ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。導体部材２２、２４と、導体スペーサ３０は、概して直方体形状又は板形状の部材であり、それぞれ、上面と上面とは反対側に位置する下面を有する。

導体スペーサ３０は、上側導体部材２２と半導体素子２０との間に配置されている。導体スペーサ３０の下面（以降、接合面３０ｂとする）は、第２接合層２７を介して半導体素子２０の第１主電極２０ａに接合されている。導体スペーサ３０の上面３０ａは、第１接合層２６を介して上側導体部材２２に接合されている。導体スペーサ３０の接合面３０ｂには、スリット４０が設けられている。スリット４０は、図４に示すように、接合面３０ｂの周縁に沿って設けられている。このスリット４０の作用効果については、後段において詳細に説明する。

上側導体部材２２の下面は、前述したように、第１接合層２６を介して導体スペーサ３０の上面３０ａに接合されている。即ち、上側導体部材２２は、半導体素子２０と電気的及び熱的に接続されている。一方、上側導体部材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。これにより、上側導体部材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。なお、上側導体部材２２と封止体１２の構成は、特に限定されない。例えば、上側導体部材２２が、封止体１２によって封止されてもよく、例えば図９に示すように、ＤＢＣ（Direct Bonded Copper）といった絶縁基板で構成されてもよい。

同様に、下側導体部材２４の上面は、第３接合層２８を介して半導体素子２０の第２主電極２０ｂに接合されている。即ち、下側導体部材２４は、半導体素子２０と電気的及び熱的に接続されている。そして、下側導体部材２４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。これにより、下側導体部材２４もまた、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とができる。下側導体部材２４についても、上側導体部材２２と同様に、例えばＤＢＣといった絶縁基板で構成されてもよい（図９参照）。

半導体装置１０は、第１電力端子１４と、第２電力端子１６と、複数の信号端子１８とをさらに備える。第１電力端子１４と、第２電力端子１６は、封止体１２から突出している。第１電力端子１４は、封止体１２の内部において下側導体部材２４と電気的に接続されており、第２電力端子１６は、封止体１２の内部において上側導体部材２２と電気的に接続されている。これにより、第１電力端子１４と第２電力端子１６との間は、半導体素子２０を介して電気的に接続されている。複数の信号端子１８は、前述したように、半導体素子２０の信号パッドと電気的に接続されている。特に限定されないが、半導体素子２０の信号パッドと信号端子１８との間は、例えばボンディングワイヤを介して接続されてもよく、あるいは、接合層を介して直接的に接続されてもよい。

接合層２６、２７、２８は、特に限定されないが、例えばはんだといった導電性を有する接合材によって構成されてよい。

一般に、半導体装置１０では、半導体素子２０や導体スペーサ３０といった構成要素が、互いに異なる線膨張係数を有する。従って、通電に伴って半導体装置１０の温度が上昇すると、それぞれの構成要素には、その線膨張係数の相違に起因して、互いに異なる熱変形が生じ得る。特に、金属等の導体で構成された導体スペーサ３０と、主に半導体基板で構成された半導体素子２０との間では、それぞれに生じる熱変形の差が比較的に大きい。従って、それらの間に位置する第２接合層２７や、第２接合層２７に接する第１主電極２０ａには、比較的に大きな熱応力が生じやすい。

この点に関して、本実施例では、図１から図２に示すように、導体スペーサ３０の接合面３０ｂには、スリット４０が設けられている。このような構成によると、導体スペーサ３０の剛性（弾性係数）が低下することで、導体スペーサ３０に生じる熱応力が低下して、導体スペーサ３０に生じる熱変形が抑制される。その結果、導体スペーサ３０と半導体素子２０との間に位置する第２接合層２７や、第２接合層２７に接する第１主電極２０ａにおいて、熱応力が緩和されることとなり、半導体装置１０の耐久性が向上する。

その一方で、導体スペーサ３０にスリット４０が設けられると、導体スペーサ３０の伝熱特性が低下するという問題がある。この点に関して、実施例の導体スペーサ３０のスリット４０は、接合面３０ｂの周縁に沿って設けられている。一般に半導体素子２０の温度は、その中央部において最も高く、導体スペーサ３０を通過する熱量も、接合面３０ｂの中央部において最大となる。従って、接合面３０ｂの中央部を避けて接合面３０ｂの周縁に沿ってスリット４０を設けることで、導体スペーサ３０の伝熱特性に与える影響を、有意に抑制することができる。

スリット４０の深さは特に限定されず、図２に示すように導体スペーサ３０の上面３０ａに到達する深さであってもよく、図３に示すように導体スペーサ３０の上面３０ａに到達しない深さであってもよい。即ち、スリット４０は、有底のスリットであってもよい。また、スリット４０は、図２に示すように空間であってもよく、図３に示すように第１接合層２６又は第２接合層２７を構成する接合材によって充填されてもよい。

図４に示すように、スリット４０の平面視における形状は、接合面３０ｂの３辺の周縁に沿う形状を有しているが、その形状は特に限定されない。例えば、図５に示すように、導体スペーサ３０は、一辺の長さが異なる環状（ここでは四角形）のスリット４０を、同心状に複数有してもよい。なお、本明細書において、スリット４０の平面視における形状とは、導体スペーサ３０の接合面３０ｂに垂直な方向から見たときの形状を意味し、例えば図４において明示される形状である。また、スリット４０の幅は、図４に示すように太くてもよく、図５に示すように細くてもよい。これらの例に限られず、スリット４０の具体的な構成については、例えば、スリット４０の加工の容易性や必要とされるスリット４０の表面積に応じて、適宜設計することができる。

図６に示すように、導体スペーサ３０は、半導体装置１０の製造工程において、電力端子１４、１６や信号端子１８等とともに、リードフレームの形態で一体に用意されてもよい。このような構成によると、半導体素子２０に導体スペーサ３０を接合する工程（例えば、リフロー工程）において、導体スペーサ３０を位置決めしやすい。

半導体装置１０の具体的な構成は、様々に変更することができる。例えば図７に示すように、半導体装置１０は、二つの半導体素子２０を備えるとともに、それぞれの半導体素子２０について、一対の導体部材２２、２４及び導体スペーサ３０を備えてもよい。この場合、一方の半導体素子２０の上側導体部材２２と、他方の半導体素子２０の下側導体部材２４とが、封止体１２の内部で電気的に接続されていてもよい。このような構成によると、半導体装置１０は、二つの半導体素子２０が直列に接続された構造を有し、例えばインバータ回路において上下一対のアームを構成することができる。なお、図８に示すように、二つ半導体素子２０は、積層配置されてもよく、上側に位置する半導体素子２０のための下側導体部材２４と、下側に位置する半導体素子２０のための上側導体部材２２とが、共通の導体部材で構成されてもよい。

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、単独であるいは組み合わ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
１４：第１電極端子
１６：第２電極端子
１８：信号端子
２０：半導体素子
２２：上側導体部材
２４：下側導体部材
２６、２７、２８：接合層
３０：導体スペーサ
３０ａ：上面
３０ｂ：接合面
４０：スリット

Claims (1)

1. 一対の導体部材と
   前記一対の導体部材の間に配置された半導体素子と、
   前記半導体素子と一方の導体部材との間に配置された導体スペーサと、
   を備え、
   前記導体スペーサは、前記半導体素子に接合された接合面を有し、
   前記接合面には、その周縁に沿ってスリットが設けられている、
   半導体装置。
   

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