JP2021190624A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザを用いた溶接の際のリードフレームの変形を抑制する。【解決手段】半導体素子１１と、半導体素子１１に接合されたヒートシンク１２と、ヒートシンク１２に接合されたリードフレーム１３と、を備え、リードフレーム１３は、ヒートシンク１２との溶接の際に、リードフレーム１３に対して発生する熱変形の力の方向と略平行方向に延在する延在部１３ｂを有し、延在部１３ｂは、延在する方向と略平行方向に加わる熱変形の力に応じて変形するベント形状の変形部１３ｄを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に関する。

従来、このような分野の技術として、特開２０１９−０７９８９１号公報がある。この公報に記載された半導体装置には、導電性を有する材料で構成されたリードフレームが記載されている。さらに、半導体装置では、ヒートシンクと外部接続端子との間は、それぞれ、溶接などによって取り付けられている。

特開２０１９−０７９８９１号公報

しかしながら、前述した従来の半導体装置では、半導体素子をヒートシンク（Ｈ／Ｓ）とリードフレーム（Ｌ／Ｆ）にはんだ付けし、樹脂モールドによりパッケージングすることでパワー半導体モジュール（パワーカード：Ｐ／Ｃ）を構成する。ここで、ヒートシンクとリードフレームは電気的、及び機械的に結合する必要があり、その工法として接合品質やコスト面で優れているレーザ溶接が用いられることが多い。しかしながら、レーザ溶接を行う際の入熱による膨張や、その後の冷却による収縮によりリードフレームが歪み、全体寸法が所定の規格を満たさなくなる場合がある。
本発明は、レーザを用いた溶接の際のリードフレームの変形を抑制した半導体装置を提供するものである。

本発明にかかる半導体装置は、半導体素子と、前記半導体素子に接合されたヒートシンクと、前記ヒートシンクに接合されたリードフレームと、を備え、前記リードフレームは、前記ヒートシンクとの溶接の際に、前記リードフレームに対して発生する熱変形の力の方向と略平行方向に延在する延在部を有し、前記延在部は、前記延在する方向と略平行方向に加わる熱変形の力に応じて変形するベント形状の変形部を有する。
これにより、変形部によりリードフレームの歪みを吸収することができる。

これにより、レーザを用いた溶接の際のリードフレームの変形を抑制することができる。

実施の形態１にかかる半導体装置の構成を示す図である。 実施の形態１にかかるベント部近傍の拡大図である。 実施の形態１にかかるレーザ入熱と冷却によるリードフレームの変形の一例を示す図である。 実施の形態２にかかる半導体装置の構成を示す図である。 実施の形態２にかかるベント部近傍の拡大図である。

実施の形態１．
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１に示すように、半導体装置１は、半導体素子１１と、半導体素子１１に接合されたヒートシンク１２と、半導体素子１１を支持固定するリードフレーム１３と、を備える。

半導体素子１１は、電気回路の構成要素であって、半導体の電気的特性を利用して作られた素子である。典型的には、半導体素子１１は、電力制御に適するように構成されている。ここでは半導体素子１１は、平板状であるものとして扱う。

ヒートシンク１２は、半導体素子１１の板面上に接合されている。またヒートシンク１２には、後述するリードフレーム１３の一部が、レーザの入熱により溶接される。なお典型的には、ヒートシンク１２とリードフレーム１３は、複数の箇所で溶接されている。

リードフレーム１３は、ヒートシンク１２に当接しない箇所であって、外周のフレームを形成しているフレーム部１３ａと、フレーム部１３ａに一部が接続されているとともに、ヒートシンク１２に向けて延在するように配置されている延在部１３ｂと、を有する。

ここで図１に示すように、１つのリードフレーム１３に対して２つのヒートシンク１２が配置されており、それぞれのヒートシンク１２に対して３箇所ずつリードフレーム１３が溶接されているものとして説明する。

また、フレーム部１３ａはＸ方向及びＹ方向に延在するように形成されている。フレーム部１３ａの最外周の箇所の形状は、上面視において略長方形とする。２つのヒートシンク１２は、フレーム部１３ａによってＸＹ方向から囲まれるように配置されている。ここで、２つのヒートシンク１２の形状は、上面視においてそれぞれ略長方形状とする。また、２つのヒートシンク１２は、リードフレーム１３のＹ方向における内部の中心付近において、Ｘ方向に連続するように配置されているものとする。

図２（ａ），図２（ｂ）は、図１に示した半導体装置１のＡ視を示している。図２（ａ），図２（ｂ）に示すように、延在部１３ｂの先端は、ヒートシンク１２と当接した状態で溶接される。この溶接される箇所を、溶接部１３ｃとする。溶接部１３ｃにはレーザによる入熱によって溶融する溶融金属が用いられている。

なお、延在部１３ｂの延在方向はＹ方向であるものとする。同時に、延在部１３ｂの延在方向は、ヒートシンク１２との溶接の際に、リードフレーム１３に対して発生する熱変形の力の方向と略平行方向である。

さらに延在部１３ｂは、溶接部１３ｃの近傍の箇所で、かつ、溶接されていない箇所にベント部（変形部）１３ｄが形成されている。例えばベント部１３ｄは、延在部１３ｂの一部が折り曲げられることにより、Ｚ方向に突出するように形成されている。ここで、図２（ａ）は入熱等が行われていない安定状態であり、図２（ｂ）はレーザの入熱によってベント部１３ｄに力が加わった状態を示している。なお、ベント部１３ｄが延在部１３ｂから突出するように折り曲げられた箇所を、端部１３ｅ，１３ｆとする。なお、ベント部１３ｄは、ヒートシンク１２に溶接される延在部１３ｂのそれぞれに形成されているものとする。

ここで、半導体装置１において、レーザを用いてヒートシンク１２とリードフレーム１３とを溶接する際に、リードフレーム１３の変形をベント部１３ｄにより吸収する動作について説明する。

図３（ａ）〜図３（ｄ）は、ヒートシンク１２とリードフレーム１３を配置し、レーザにより入熱して溶接し、その後に冷却することで、ヒートシンク１２とリードフレーム１３を接合する工程を示している。なお図３（ｂ）及び図３（ｃ）に記載されている矢印は、半導体装置１にかかる力の方向を示している。

まず、図３（ａ）に示すように、ヒートシンク１２とリードフレーム１３を、互いに接合させるべき位置に配置する。言い換えると、ヒートシンク１２に対して、リードフレーム１３の延在部１３ｂの先端が当接するように配置される。なお、リードフレーム１３の延在部１３ｂには、あらかじめベント部１３ｄが形成されているものとする。

図３（ｂ）に示すように、ヒートシンク１２とリードフレーム１３を、レーザを用いて加熱して溶接する。ここで、ヒートシンク１２と、リードフレーム１３の延在部１３ｂの先端とを当接させた状態で、レーザを用いて入熱することにより溶接される箇所を、溶接部１３ｃとする。このレーザ入熱により、リードフレーム１３の溶接部１３ｃの近傍が膨張する。

その後、レーザによる溶接部１３ｃへの入熱を終了する。これにより図３（ｃ）に示すように、溶接部１３ｃの溶融金属が冷却され、溶接が完了する。なお溶接の完了により、ヒートシンク１２と、リードフレーム１３は、電気的、及び機械的に接合された状態となる。

ここでレーザによる入熱終了後の冷却の際に、リードフレーム１３の溶接部１３ｃの近傍では、冷却による収縮が発生する。このときベント部１３ｄでは、その端部１３ｅ，１３ｆのそれぞれが引っ張られる状態で変形することにより、収縮によるリードフレーム１３の変形を吸収する。

ここで比較として、仮にリードフレーム１３にベント部１３ｄが設けられていない場合には、冷却に起因してリードフレーム１３に変形する力が加わる。この場合には、溶接部１３ｃがヒートシンク１２に対して固定されていることから、リードフレーム１３の加熱膨張していない外周部では、収縮に対して突っ張るように働き、溶接部１３ｃ近傍の冷却による収縮はリードフレーム１３の全体を収縮させ変形させる力として発生する。すなわち、図３（ｄ）に示すようなリードフレーム１３の全体の変形が発生しやすくなる。

一方、半導体装置１では、リードフレーム１３にベント部１３ｄを設けておくことにより、ベント部１３ｄにおいてリードフレーム１３を変形させる力を吸収することができる。これにより、図３（ｄ）に示したようなリードフレーム１３の変形を抑制することができる。

また、このようにベント部１３ｄを、ヒートシンク１２とリードフレーム１３とを溶接する溶接部１３ｃの近傍に配置していることから、ベント部１３ｄでは数十〜数百μｍレベル分の寸法変形を吸収することができる。

実施の形態２．
次に、ベント部が形成されている位置が異なる半導体装置２について説明する。なお以下では、実施の形態１に示した構成と同様の機能を奏する箇所について、同一の符号を付し、説明を省略する。

図４に示すように、半導体装置２は、半導体素子１１と、半導体素子１１に接合されたヒートシンク１２と、半導体素子１１を支持固定するリードフレーム２３と、を備える。

ここで、１つのリードフレーム２３に対して２つのヒートシンク１２が配置されており、それぞれのヒートシンク１２に対して３箇所ずつリードフレーム２３が溶接されているものとして説明する。

また、フレーム部２３ａはＸ方向及びＹ方向に延在するように形成されている。フレーム部２３ａの最外周の箇所の形状は、上面視において略長方形とする。また、２つのヒートシンク１２は、フレーム部２３ａによってＸＹ方向から囲まれるように配置されている。ここで、２つのヒートシンク１２は、Ｘ方向に並ぶように配置されているものとする。

延在部２３ｂの先端は、ヒートシンク１２と当接した状態で溶接される。この溶接される箇所を、溶接部２３ｃとする。溶接部２３ｃにはレーザによる入熱によって溶融する溶融金属が用いられている。

図５は、図４に示した半導体装置２のＢ視の図である。図５に示すように、フレーム部２３ａには、ベント部（変形部）２３ｄが形成されている。例えばベント部２３ｄは、フレーム部２３ａの一部が折り曲げられることにより、Ｚ方向に突出するように形成されている。

より具体的には、ベント部２３ｄが形成されている位置は、リードフレーム２３を形成している最も外周のフレーム部２３ａのＹ方向に延在している箇所である。すなわち、略長方形の外周を形成しているフレーム部２３ａにおいて、Ｙ方向に延びる２辺のそれぞれに、ベント部２３ｄが形成されている。言い換えると、外周を形成しているフレーム部２３ａの一部を、ベント部２３ｄを有する延在部２３ｇとする。

さらに、フレーム部２３ａにおいてベント部２３ｄが形成されている位置は、Ｙ方向における中央付近である。また例えば、このベント部２３ｄが形成されている位置は、２つのヒートシンク１２がＸ方向に連続する延長上に形成されている。

なお、ベント部２３ｄがフレーム部２３ａから突出するように折り曲げられた箇所を、端部２３ｅ，２３ｆとする。

これにより、半導体装置２では、レーザによる入熱を利用した溶接後の冷却によって収縮の力が発生した際に、フレーム部２３ａに形成されたベント部２３ｄにおいて、端部２３ｅと端部２３ｆの距離が変化するように変形し、収縮を吸収することができる。

このようにフレーム部２３ａにベント部２３ｄを設けた場合には、リードフレーム２３の外周を形成しているフレーム部２３ａが突っ張ることがなくなる。そのため、リードフレーム２３の全体が大きく反るような変形の発生を、抑制することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。すなわち上記の記載は、説明の明確化のため、適宜、省略及び簡略化がなされており、当業者であれば、実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能である。

１ 半導体装置
２ 半導体装置
１１ 半導体素子
１２ ヒートシンク
１３ リードフレーム
１３ａ フレーム部
１３ｂ 延在部
１３ｃ 溶接部
１３ｄ ベント部（変形部）
１３ｅ，１３ｆ 端部
２３ リードフレーム
２３ａ フレーム部
２３ｂ 延在部
２３ｃ 溶接部
２３ｄ ベント部（変形部）
２３ｅ，２３ｆ 端部
２３ｇ 延在部

Claims (1)

1. 半導体素子と、
   前記半導体素子に接合されたヒートシンクと、
   前記ヒートシンクに接合されたリードフレームと、を備え、
   前記リードフレームは、
   前記ヒートシンクとの溶接の際に、前記リードフレームに対して発生する熱変形の力の方向と略平行方向に延在する延在部を有し、
   前記延在部は、
   前記延在する方向と略平行方向に加わる熱変形の力に応じて変形するベント形状の変形部を有する、
   半導体装置。

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