JP2022079287A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】信頼性を向上することができる半導体装置及びその製造方法を得る。【解決手段】絶縁基板１は回路パターン４を有する。半導体素子８が絶縁基板１の上に実装され、回路パターン４に電気的に接続されている。ケース１１が絶縁基板１及び半導体素子８を収容する。電極１２がケース１１に設けられている。電極１２の先端面が回路パターン４にはんだ１４により接合されている。電極１２はケース１１により回路パターン４に押接されている。先端面に突起１２ｄが設けられている。【選択図】図１

Description

本開示は、半導体装置及びその製造方法に関する。
ケースに取り付けられた電極が絶縁基板の回路パターンにはんだ接合された半導体装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６－２９５１５８号公報
温度サイクルにおいて構成部材の線膨張係数差により半導体装置に反りが生じる。これにより、ケース及び絶縁基板に対する電極の上下方向の位置が変化するため、電極のはんだ接合部には上下方向に引張応力又は圧縮応力が作用する。絶縁基板があるため電極は圧縮方向には変位しにくい。しかし、電極は引張方向には変位しやすいため、はんだが劣化し剥離が発生し、信頼性が低下するという問題があった。
本開示は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は信頼性を向上することができる半導体装置及びその製造方法を得るものである。
本開示に係る半導体装置は、回路パターンを有する絶縁基板と、前記絶縁基板の上に実装され、前記回路パターンに電気的に接続された半導体素子と、前記絶縁基板及び前記半導体素子を収容するケースと、前記ケースに設けられた電極とを備え、前記電極の先端面が前記回路パターンにはんだ接合され、前記電極は前記ケースにより前記回路パターンに押接され、前記先端面に突起が設けられていることを特徴とする。
本開示では、電極はケースにより回路パターンに押接されている。これにより、温度サイクル時の反りにより電極と回路パターンの接合部に生じる引張応力を減少させることができる。また、押接によりはんだの厚みが減少するが、先端面に突起を設けることではんだの厚みを確保することができる。このため、温度サイクルにおけるはんだの剥離を防止し、信頼性を向上することができる。
実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図である。 図１のＩ－ＩＩに沿った拡大断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造工程を示す図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造工程を示す図である。 実施の形態１に係る半導体装置の一部を拡大した断面図である。 実施の形態２に係る半導体装置を示す断面図である。 実施の形態２に係る半導体装置の変形例を示す断面図である。 実施の形態２に係る半導体装置の変形例を示す上面図である。 実施の形態３に係る半導体装置を示す断面図である。 実施の形態４に係る半導体装置を示す断面図である。 図１０のＩ－ＩＩに沿った拡大断面図である。 実施の形態５に係る半導体装置を示す断面図である。 実施の形態６に係る電極の立ち上がり部を示す側面図である。 実施の形態６に係る電極の立ち上がり部の変形例１を示す側面図である。 実施の形態６に係る電極の立ち上がり部の変形例２を示す側面図である。
実施の形態に係る半導体装置及びその製造方法について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図である。絶縁基板１は、絶縁板２と、絶縁板２の下面の金属パターン３と、絶縁板２の上面の回路パターン４，５とを有する。絶縁板２は、ＡｌＮ又はＳｉＮなどのセラミックであり、樹脂絶縁でもよい。
絶縁基板１の金属パターン３はベース板６の上面にはんだ６により接合されている。半導体素子８が絶縁基板１の上に実装されている。半導体素子８の下面電極は回路パターン４にはんだ９により電気的に接続されている。なお、はんだ接合に限らずＡｇ接合又はレーザー溶接などでもよい。半導体素子８の上面電極は、ワイヤなどの配線１０により回路パターン５に電気的に接続されている。ケース１１が絶縁基板１及び半導体素子８を収容する。ケース１１はベース板６の上面に接着されている。
電極１２，１３がケース１１に取り付けられている。電極１２の先端面が回路パターン４にはんだ１４により接合されている。電極１２，１３は板状であり、互いに対向する主面と、互いに対向する側面と、先端面とを有する。先端面は長方形であり、先端面の短辺は電極１２の板厚みに対応し、先端面の長辺は電極１２の横幅に対応する。
封止材１５が絶縁基板１、半導体素子８及び電極１２を封止し、半導体素子８等を外部から電気的に絶縁する。封止材１５は、例えばゲルであり、ダイレクトポッティング樹脂などの樹脂であることが好ましい。樹脂により温度サイクル時の電極１２の変位が抑制されるため、はんだ接合の信頼性が向上する。
電極１２は、ケース１１にインサートされて固定された固定部１２ａと、回路パターン４の上に立ち上がっている立ち上がり部１２ｂと、固定部１２ａと立ち上がり部１２ｂの上端を接続する接続部１２ｃとを有する。電極１２の立ち上がり部１２ｂの上端の高さは固定部１２ａの高さよりも高い。固定部１２ａはベース板６の上面及び絶縁基板１の回路パターン４，５に平行である。一方、ケース１１の内部空間に引き出された接続部１２ｃは、固定部１２ａから立ち上がり部１２ｂの上端に向かって上昇し、ベース板６の上面及び絶縁基板１の回路パターン４，５に対して傾斜している。このような構成であるため、電極１２はケース１１により回路パターン４に押接される。電極１２と同様に、電極１３の先端面が回路パターン５にはんだ接合され、電極１３はケース１１により回路パターン５に押接されている。
図２は図１のＩ－ＩＩに沿った拡大断面図である。先端面に突起１２ｄが設けられている。電極１２の突起１２ｄが押接されることで回路パターン４の表面に少し圧痕が形成される。電極１２と同様に、電極１３の先端面にも突起（不図示）が設けられている。
続いて、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する。図３及び図４は、実施の形態１に係る半導体装置の製造工程を示す図である。まず、半導体素子８を絶縁基板１の上に実装し、絶縁基板１の回路パターン４に電気的に接続する。次に、絶縁基板１及び半導体素子８を収容するようにケース１１をベース板６の上面に取り付ける。この際に、電極１２をケース１１により回路パターン４に押接する。そして、電極１２の先端面を回路パターン４にはんだ接合する。
ケース１１を取り付ける前は、図３に示すように電極１２の固定部１２ａと接続部１２ｃが直線状であり、電極１２の立ち上がり部１２ｂの上端の高さと固定部１２ａの高さが同じである。ケース１１を取り付けた後は、図４に示すように電極１２の立ち上がり部１２ｂの上端の高さが固定部１２ａの高さよりも高くなる。このように電極１２が変形することで電極１２は回路パターン４に押接される。
本実施の形態では、電極１２はケース１１により回路パターン４に押接されている。これにより、温度サイクル時の反りにより電極１２と回路パターン４の接合部に生じる引張応力を減少させることができる。また、押接によりはんだ１４の厚みが減少するが、先端面に突起１２ｄを設けることではんだ１４の厚みを確保することができる。このため、温度サイクルにおけるはんだの剥離を防止し、信頼性を向上することができる。
また、応力が大きくなる先端面の外周部にはんだ１４がある方が応力を緩和できる。従って、突起１２ｄは先端面の外周部に設けられていないことが好ましい。そして、はんだ１４の厚みを均一に保持できるように、突起１２ｄは２つ以上であることが好ましい。これにより、はんだ接合の信頼性が向上する。
また、板状の電極１２の平面ではなく、電極１２の立ち上がり部１２ｂの先端面が回路パターン４に接合されている。これにより、電極１２の接合面積が減少する。このため、電極１２が接合された回路パターン４に半導体素子８又は配線１０を接合する場合に、これらを接合するスペースが増加する。また、電流容量を増加することもできる。
図５は、実施の形態１に係る半導体装置の一部を拡大した断面図である。電極１２と回路パターン４の接合部から回路パターン４の端部、半導体素子８又は外部配線１０までの距離Ｒがはんだ１４の高さＬ以上である（Ｒ≧Ｌ）。これにより、はんだ１４のフィレットが角度４５℃未満のなだらかな形状になり、はんだ１４への応力が減少するため、はんだ接合の信頼性が向上する。
実施の形態２．
図６は、実施の形態２に係る半導体装置を示す断面図である。ケース１１は、絶縁基板１及び半導体素子８を囲む四角い枠である外壁１１ａと、外壁１１ａから外壁１１ａの内側に突出した突出部１１ｂとを有する。外壁１１ａの内側に引き出された電極１２の接続部１２ｃは上方向に変位するが、突出部１１ｂの下面に接触して押し下げられる。これにより、電極１２は回路パターン４に押接される力を受ける。これにより、実施の形態１と同様に、温度サイクル時の反りにより電極１２と回路パターン４の接合部に生じる引張応力を減少させることができる。
図７は、実施の形態２に係る半導体装置の変形例を示す断面図である。図８は、実施の形態２に係る半導体装置の変形例を示す上面図である。突出部１１ｂは、ケース１１の互いに対向する外壁１１ａを渡る梁になっている。この場合でも上記の効果を奏する。
実施の形態３．
図９は、実施の形態３に係る半導体装置を示す断面図である。ケース１１は絶縁基板１に直接的に接着され、固定されている。その他の構成は実施の形態１と同様である。この場合でも電極１２，１３はケース１１により回路パターン４，５に押接され、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
実施の形態４．
図１０は、実施の形態４に係る半導体装置を示す断面図である。図１１は図１０のＩ－ＩＩに沿った拡大断面図である。回路パターン４に凹部１６が設けられている。凹部１６は、回路パターン４を貫通して絶縁板２まで達している必要はない。突起１２ｄは凹部１６に嵌合されている。これにより、回路パターン４とはんだ１４の接合領域が増加するため、接合の信頼性が向上する。
実施の形態５．
図１２は、実施の形態５に係る半導体装置を示す断面図である。他の電極１７が電極１２に対して平行に配置されている。電流の向きが逆である２つの電極１２，１７を近接して平行に配置すると、互いに磁界を打ち消し合うため、インダクタンスを低減することができる。また、２つの電極１２，１７が同電位の場合は電極密度を増加させることができるため、通電能力が向上する。
実施の形態６．
図１３は、実施の形態６に係る電極の立ち上がり部を示す側面図である。電極１２の立ち上がり部１２ｂの側面に切れ込み１２ｅが設けられている。切れ込み１２ｅで電極１２の剛性が低下する。従って、電極１２の変形によるはんだ１４への応力が減少するため、はんだ接合の信頼性が向上する。
図１４は、実施の形態６に係る電極の立ち上がり部の変形例１を示す側面図である。図１３では切れ込み１２ｅが立ち上がり部１２ｂの両側に設けられていたが、図１４では片側のみに設けられている。この場合でも同様の効果を得ることができる。
図１５は、実施の形態６に係る電極の立ち上がり部の変形例２を示す側面図である。切れ込み１２ｅが厚み方向に設けられており、電極１２の立ち上がり部１２ｂの厚みが部分的に薄くなっている。この薄肉部で電極１２の剛性が低下する。従って、電極１２の変形によるはんだ１４への応力が減少するため、はんだ接合の信頼性が向上する。
なお、半導体素子８は、珪素によって形成されたものに限らず、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成されたものでもよい。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドである。このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成された半導体素子は、耐電圧性や許容電流密度が高いため、小型化できる。この小型化された半導体素子を用いることで、この半導体素子を組み込んだ半導体装置も小型化・高集積化できる。また、半導体素子の耐熱性が高いため、ヒートシンクの放熱フィンを小型化でき、水冷部を空冷化できるので、半導体装置を更に小型化できる。また、半導体素子の電力損失が低く高効率であるため、半導体装置を高効率化できる。
また、ワイドギャップ半導体からなる半導体素子８は高温動作が可能である。これに対して、上記の実施の形態を適用することによりはんだ１４の応力を低下できるため、高温での信頼性が向上する。
１ 絶縁基板、４ 回路パターン、６ ベース板、８ 半導体素子、１０ 配線、１１ ケース、１１ａ 外壁、１１ｂ 突出部、１２ 電極、１２ａ 固定部、１２ｂ 立ち上がり部、１２ｄ 突起、１２ｅ 切れ込み、１４ はんだ、１５ 封止材、１６ 凹部

Claims (16)

  1. 回路パターンを有する絶縁基板と、
    前記絶縁基板の上に実装され、前記回路パターンに電気的に接続された半導体素子と、
    前記絶縁基板及び前記半導体素子を収容するケースと、
    前記ケースに設けられた電極とを備え、
    前記電極の先端面が前記回路パターンにはんだ接合され、
    前記電極は前記ケースにより前記回路パターンに押接され、
    前記先端面に突起が設けられていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記電極は、前記ケースに固定された固定部と、前記回路パターンの上に立ち上がっている立ち上がり部とを有し、
    前記電極の前記立ち上がり部の上端の高さは前記固定部の高さよりも高いことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記ケースは、前記絶縁基板及び前記半導体素子を囲む外壁と、前記外壁から前記外壁の内側に突出した突出部とを有し、
    前記電極は、前記突出部の下面に接触して押し下げられることで前記回路パターンに押接される力を受けることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
  4. ベース板を更に備え、
    前記絶縁基板は前記ベース板の上面に接合され、
    前記ケースは前記ベース板の上面に接着されていることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の半導体装置。
  5. 前記ケースは前記絶縁基板に直接的に接着されていることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の半導体装置。
  6. 前記回路パターンに凹部が設けられ、
    前記突起は前記凹部に嵌合されていることを特徴とする請求項１～５の何れか１項に記載の半導体装置。
  7. 前記電極に平行に配置された他の電極を更に備えることを特徴とする請求項１～６の何れか１項に記載の半導体装置。
  8. 前記突起は前記先端面の外周部に設けられていないことを特徴とする請求項１～７の何れか１項に記載の半導体装置。
  9. 前記突起は２つ以上であることを特徴とする請求項１～８の何れか１項に記載の半導体装置。
  10. 前記電極の前記立ち上がり部の側面に切れ込みが設けられていることを特徴とする請求項１～９の何れか１項に記載の半導体装置。
  11. 前記電極の前記立ち上がり部の厚みが部分的に薄くなっていることを特徴とする請求項１～９の何れか１項に記載の半導体装置。
  12. 前記電極が接合された前記回路パターンに前記半導体素子又は配線が接合されていることを特徴とする請求項１～１１の何れか１項に記載の半導体装置。
  13. 前記電極と前記回路パターンの接合部から前記回路パターンの端部、前記半導体素子又は前記外部配線までの距離が前記はんだの高さ以上であることを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置。
  14. 前記絶縁基板、前記半導体素子及び前記電極を封止する樹脂を更に備えることを特徴とする請求項１～１３の何れか１項に記載の半導体装置。
  15. 前記半導体素子はワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項１～１４の何れか１項に記載の半導体装置。
  16. 半導体素子を絶縁基板の上に実装し、前記絶縁基板の回路パターンに電気的に接続する工程と、
    前記絶縁基板及び前記半導体素子を収容するようにケースを取り付け、前記ケースに設けられた電極の先端面を前記回路パターンにはんだ接合する工程とを備え、
    前記ケースを取り付ける際に、前記電極を前記ケースにより前記回路パターンに押接し、
    前記先端面に突起が設けられていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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