JP2023127609A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体装置の製造時に、半導体モジュールと放熱部材との接合部を保護する樹脂材を所定の位置に容易に配置することが可能な技術を提供することを目的とする。【解決手段】半導体装置は、放熱部材１と、半導体モジュール１０とを備えている。半導体モジュール１０は、放熱部材１の上面の接合領域に接合材１９により接合された金属板１１と、金属板１１の上面に設けられた絶縁層１２と、絶縁層１２の上面に設けられた金属部材１３と、金属部材１３の上面に搭載された半導体素子１４と、金属板１１の下面が露出した状態で、金属板１１、絶縁層１２、金属部材１３、および半導体素子１４を封止する封止材１８とを有している。放熱部材１における接合領域よりも外周側の部分には、接合領域よりも高さ位置が低くなるように段差２が設けられ、段差２には、半導体モジュール１０と放熱部材１との接合部を保護する樹脂材３が配置されている。【選択図】図１

Description

本開示は、半導体装置に関するものである。
特許文献１には、半導体モジュールにおいて露出する金属板と冷却装置（放熱部材に相当する）とが接合材にて接合された半導体装置が開示されている。この半導体装置では、金属板の非接合領域、接合材の周囲領域、および冷却装置において接合された部分の周囲の接合周囲領域を樹脂材により覆うことで、半導体モジュールと冷却装置との接合部の信頼性を向上させている。
特開２０２１－１４２４６５号公報
特許文献１に記載の技術では、樹脂材が配置される箇所である冷却装置の上面には樹脂材との密着性を高めるためにアンカー部が設けられるが、冷却装置の上面の接合領域と非接合領域は同じ高さ位置にあるため、半導体装置の製造時に樹脂材を所定の位置に配置することが難しいという問題があった。
そこで、本開示は、半導体装置の製造時に、半導体モジュールと放熱部材との接合部を保護する樹脂材を所定の位置に容易に配置することが可能な技術を提供することを目的とする。
本開示に係る半導体装置は、放熱部材と、前記放熱部材の上面に設けられた半導体モジュールとを備え、前記半導体モジュールは、前記放熱部材の上面の接合領域に接合材により接合された金属板と、前記金属板の上面に設けられた絶縁層と、前記絶縁層の上面に設けられた金属部材と、前記金属部材の上面に搭載された半導体素子と、前記金属板の下面が露出した状態で、前記金属板、前記絶縁層、前記金属部材、および前記半導体素子を封止する封止材とを有し、前記放熱部材における前記接合領域よりも外周側の部分には、前記接合領域よりも高さ位置が低くなるように段差が設けられ、前記段差には、前記半導体モジュールと前記放熱部材との接合部を保護する樹脂材が配置された。
本開示によれば、放熱部材の接合領域よりも外周側の部分が接合領域よりも高さ位置が低くなるように段差が設けられたため、樹脂材を配置するための空間が大きくなり、放熱部材における接合領域よりも外周側の部分への樹脂材の流し込みが容易になる。これにより、半導体装置の製造時に、樹脂材を所定の位置に容易に配置することができる。
実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態２に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態２の変形例に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態３に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態４に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態４の変形例１に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態４の変形例２に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態５に係る半導体装置の断面図である。
＜実施の形態１＞
＜半導体装置の構成＞
実施の形態１について、図面を用いて以下に説明する。図１は、実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。
図１に示すように、半導体装置は、半導体モジュール１０と、放熱部材１とを備えている。まず、半導体モジュール１０について説明する。
半導体モジュール１０は、放熱部材１の上面に設けられている。半導体モジュール１０は、金属板１１と、絶縁層１２と、金属部材１３と、半導体素子１４と、封止材１８と、リード電極１５，１６とを備えている。
金属板１１は、放熱部材１の上面の接合領域に接合材１９を介して接合されている。金属板１１として、厚さ１０５μｍの銅箔が採用されている。熱伝導率が高い材料を用いて金属板１１の厚みを薄くすることで、絶縁層１２から接合材１９への放熱性を向上させることができる。
絶縁層１２は、金属板１１の上面に設けられている。絶縁層１２として、高熱伝導フィラーを含有する１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する樹脂を採用することが可能である。絶縁層１２として、熱伝導率が高く、かつ変形に強い樹脂を採用することで、ヒートサイクルなどに起因して半導体装置を構成する部材に微小変形が生じた際に亀裂に入ることを抑制できるため、半導体装置において高放熱と高信頼性とを両立することができる。
また、絶縁層１２の材料はこれに限定されず、ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3、およびＳｉ3Ｎ4のいずれかを採用することも可能である。絶縁層１２として熱伝導率が高い材料を採用することで、絶縁層１２を介して金属部材１３から金属板１１への放熱性を向上させることができるため、半導体装置の温度上昇を抑制し、半導体装置の寿命を向上させることができる。
金属部材１３は、絶縁層１２の上面に設けられている。金属部材１３の材料は熱伝導率の高いものが好ましく、金属部材１３として、厚さ３ｍｍの銅ブロックが採用されている。
半導体素子１４は、金属部材１３の上面に接合材２０を介して搭載されている。半導体素子１４の上面には複数の上面電極（図示しない）が設けられ、半導体素子１４の一の上面電極は、接合材２１を介してリード電極１５の一端部と接合されている。半導体モジュール１０は、半導体素子１４を少なくとも１つ備えていればよい。実施の形態１では、半導体モジュール１０は、１つの半導体素子１４を備えている。半導体素子１４の半導体材料はＳｉまたはＳｉＣであり、半導体素子１４は例えば逆導通ＩＧＢＴ（ＲＣ－ＩＧＢＴ：Reverse Conducting Insulated Gate Bipolar Transistor）である。
また、半導体素子１４の他の上面電極は、リード電極１６の一端部と接続配線１７を介して接続されている。接続配線１７は、例えばアルミワイヤまたは銅ワイヤである。
リード電極１５，１６として厚さ０．６４ｍｍの銅フレームが採用され、リード電極１５，１６は電気回路を形成する役割を果たす。リード電極１５，１６は電気を通す部材であればよいため、アルミワイヤ等でもよい。リード電極１５がアルミワイヤの場合、リード電極１５と半導体素子１４との間の接合材２１は不要となる。
封止材１８は、金属板１１の下面が露出した状態で、金属板１１、絶縁層１２、金属部材１３、および半導体素子１４を封止する熱硬化性の樹脂である。実施の形態１では、封止材１８はエポキシ樹脂である。また、リード電極１５，１６の他端部である外部接続部は、半導体モジュール１０の外部機器と電気的に接続されるため、封止材１８から露出している。封止材１８の材料は、半導体モジュール１０の信頼性を向上させるものであればよく、トランスファーモールド法にて半導体モジュール１０を形成可能なものが好ましい。
接合材２０，２１は、はんだであるが、熱伝導率の高い銀ペースト材等でもよい。接合材１９は半導体モジュール１０と放熱部材１とを接合する役割を果たす。実施の形態１では、接合材１９は、厚さ１５０μｍのはんだである。接合材１９は熱伝導を向上させるものであればよく、放熱グリス等でもよい。
次に、放熱部材１について説明する。図１に示すように、放熱部材１はブロック状に形成され、放熱部材１における接合領域よりも外周側の部分には、接合領域よりも高さ位置が低くなるように段差２が設けられている。放熱部材１の材料は熱伝導率が高く、接合材１９により接合可能なものが好ましい。放熱部材１の材料として、例えば、銅、またはニッケルめっきを施したアルミなどが好ましい。これにより、半導体モジュール１０で発生した熱を効率よく放熱させることができるため、半導体モジュール１０の温度上昇を抑えることができる。
ここで、接合領域とは、放熱部材１の上面のうちの半導体モジュール１０の金属板１１が接合される領域であり、すなわち、接合材１９が配置される領域である。放熱部材１の上面のうちの接合領域よりも外周側の領域には、接合材１９が配置されないため、当該領域は非接合領域である。以下、放熱部材１の上面のうちの接合領域よりも外周側の領域を「放熱部材１の非接合領域」ともいう。
段差２は、放熱部材１の上面の全周に渡って設けられている。すなわち、段差２は、放熱部材１の接合領域を囲むように設けられている。段差２には、半導体モジュール１０と放熱部材１との接合部を保護する樹脂材３が配置されている。ここで、半導体モジュール１０と放熱部材１との接合部とは、金属板１１の下面のうちの接合材１９と接触する領域と、接合材１９と、放熱部材１の上面の接合領域とを含む部分である。
実施の形態１では、樹脂材３はエポキシ樹脂であるが、これに限定されない。樹脂材３は、接合材１９の信頼性を向上させることが可能であり、かつ接合材１９が融点以下で硬化させることが可能なものであればよい。また、樹脂材３は、必要部位への充填性を考慮すると粘度は低い方が好ましく、かつ封止材１８との密着性、および放熱部材１との密着性が高い方が好ましい。
＜効果＞
次に、実施の形態１に係る半導体装置の効果について、製造工程の観点から説明する。半導体モジュール１０と放熱部材１とを接合材１９を介して接合した後に、段差２が設けられた放熱部材１の非接合領域に、樹脂材３を塗布する工程を経て半導体装置が形成される。
段差２が設けられていない場合、半導体モジュール１０と放熱部材１との間における接合材１９が配置されていない部分には、接合材１９と同等の厚みを有する空間が生じる。実施の形態１では、接合材１９の厚みは１５０μｍであり、空間の高さも非常に小さいため、樹脂材３を塗布した際にその空間に樹脂材３を流し込んで配置することが難しかった。
これに対して、実施の形態１に係る半導体装置は、放熱部材１と、放熱部材１の上面に設けられた半導体モジュール１０とを備え、半導体モジュール１０は、放熱部材１の上面の接合領域に接合材１９により接合された金属板１１と、金属板１１の上面に設けられた絶縁層１２と、絶縁層１２の上面に設けられた金属部材１３と、金属部材１３の上面に搭載された半導体素子１４と、金属板１１の下面が露出した状態で、金属板１１、絶縁層１２、金属部材１３、および半導体素子１４を封止する封止材１８とを有し、放熱部材１における接合領域よりも外周側の部分には、接合領域よりも高さ位置が低くなるように段差２が設けられ、段差２には、半導体モジュール１０と放熱部材１との接合部を保護する樹脂材３が配置されている。
放熱部材１の接合領域よりも外周側の部分が接合領域よりも高さ位置が低くなるように段差２が設けられたため、樹脂材３を配置するための空間が大きくなり、放熱部材１における接合領域よりも外周側の部分への樹脂材３の流し込みが容易になる。これにより、樹脂材３を所定の位置に容易に配置することができる。その結果、半導体装置の形成が容易となる。
また、半導体モジュール１０と放熱部材１とを接合材１９だけでなく樹脂材３により強固に固定することができるため、ヒートサイクル等に起因する接合材１９および絶縁層１２へのダメージを抑制することができる。これにより、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
また、接合材１９は放熱グリスを含むため、ヒートサイクル等に起因する絶縁層１２へのダメージをさらに抑制することができる。半導体モジュール１０と放熱部材１が樹脂材３により強固に固定されるため、半導体装置の動作時における接合材１９のポンピングアウトを抑制することができる。
また、接合材１９ははんだを含むため、半導体モジュール１０で発生した熱を放熱部材１に効率的に伝えることができる。これにより、半導体装置の温度上昇を抑制し、半導体装置の信頼性を向上させることができる。樹脂材３により半導体モジュール１０と放熱部材１とを固定することで、ヒートサイクル等に起因する接合材１９へのダメージを抑制できるため、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
また、半導体素子１４の半導体材料はＳｉＣである。ＳｉＣは高温で使用される可能性が高いため、半導体モジュール１０の反りの変動も大きくなり、半導体モジュール１０と放熱部材１との接合部の信頼性低下の懸念が大きい。接合材１９がはんだの場合は接合材１９の亀裂が起こりやすく、また放熱グリスの場合はポンピングアウトが起こりやすい。そのため、半導体モジュール１０の反りの変動を抑制することで、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
また、半導体素子１４は、逆導通ＩＧＢＴであるため、半導体モジュール１０の高密度化が可能となるが、半導体モジュール１０の発熱が大きくなり、接合材１９がはんだの場合は接合材１９の亀裂が起こりやすく、また放熱グリスの場合はポンピングアウトが起こりやすい。しかし、実施の形態１では、樹脂材３により接合材１９を固定することで、このような問題が発生することを抑制できるため、半導体モジュール１０の信頼性を向上させることができる。
また、金属板１１は銅を含むため、半導体素子１４で発生した熱を効率的に放熱部材１へ伝えることができる。これにより、半導体装置の温度上昇を抑制することができる。
また、金属部材１３は銅を含むため、半導体素子１４で発生した熱を効率的に放熱部材１へ伝えることができる。これにより、半導体装置の温度上昇を抑制することができる。
＜実施の形態２＞
次に、実施の形態２に係る半導体装置について説明する。図２は、実施の形態２に係る半導体装置の断面図である。なお、実施の形態２において、実施の形態１で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
図２に示すように、実施の形態２では、実施の形態１に対して段差２は溝４により形成されている。溝４は、放熱部材１の非接合領域のうちの放熱部材１の周縁部を除く部分に設けられている。また、溝４は、放熱部材１の接合領域を囲むように放熱部材１の上面の全周に渡って設けられている。
以上のように、実施の形態２に係る半導体装置では、段差２は溝４により形成されるため、硬化前の樹脂材３を溝４に留めておくことができる。これにより、樹脂材３の量を管理することが可能となり、半導体装置の生産性を向上させることができる。
次に、図３を用いて、実施の形態２の変形例について説明する。図３は、実施の形態２の変形例に係る半導体装置の断面図である。
図３に示すように、実施の形態２の変形例では溝４の好ましい寸法を明示している。放熱部材１の溝４の内側面から半導体モジュール１０の側面までの距離ａと、放熱部材１の溝４の底面から半導体モジュール１０の下面までの距離ｂは、ａ≦ｂの関係を満たしている。ここで、半導体モジュール１０の側面とは封止材１８の側面であり、半導体モジュール１０の下面とは金属板１１の下面である。これにより、樹脂材３の塗布時に半導体モジュール１０の直下に位置する溝４に樹脂材３がさらに流れ込みやすくなるため、半導体装置の生産性をさらに向上させることができる。
また、放熱部材１の上面における溝４よりも外周側の領域は、接合領域よりも高さ位置が高くなっている。これにより、樹脂材３の塗布時に樹脂材３が半導体モジュール１０側へ流れ込みやすくなり、樹脂材３と半導体モジュール１０との接触面積が増加するため、半導体モジュール１０と放熱部材１とをさらに強固に固定することができる。その結果、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
また、放熱部材１の溝４の底面から半導体モジュール１０の下面までの距離ｂと、半導体モジュール１０の側面から放熱部材１の溝４の外側面までの距離ｃは、ｂ≦ｃの関係を満たしている。なお、ｂ≦ｃの関係について、溝４の一部のみで満たしていてもよいし、溝４の全周に渡って満たしていてもよい。
これにより、樹脂材３の塗布を容易に行うことができるため、半導体装置の生産性を向上させることができる。
また、放熱部材１の上面における溝４よりも外周側の領域の高さ位置と、放熱部材１の上面における接合領域の高さ位置との差ｄは、接合材１９の厚みよりも大きくなっている。これにより、樹脂材３と半導体モジュール１０の側面との接触面積が増加し、樹脂材３が半導体モジュール１０の側面に密着するため、半導体モジュール１０と放熱部材１とをさらに強固に固定することができる。その結果、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
＜実施の形態３＞
次に、実施の形態３に係る半導体装置について説明する。図４は、実施の形態３に係る半導体装置の断面図である。なお、実施の形態３において、実施の形態１，２で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
図４に示すように、実施の形態３では、実施の形態２に対して半導体モジュール１０の側面には、側方に突出する複数の突起１８ａが設けられ、複数の突起１８ａは、樹脂材３により覆われている。複数の突起１８ａは、封止材１８の側面に設けられている。樹脂材３の塗布時に、樹脂材３は、突起１８ａと放熱部材１の溝４の外側面との間から注入されるため、樹脂材３を所定の位置に容易に配置することができる。なお、実施の形態３の構造を実施の形態１の構造に採用することも可能である。
複数の突起１８ａを設けたことにより、半導体モジュール１０と樹脂材３との接触面積が増加し、樹脂材３と半導体モジュール１０との密着性が向上する。これにより、半導体モジュール１０と放熱部材１との固定をさらに強固にすることができる。その結果、半導体装置の信頼性をさらに向上させることができる。
なお、複数の突起１８ａの材質は封止材１８と同じ材質であり、突起１８ａの形状は、封止材１８の表面積を増加するものであればよく、立方体状または円筒状等でもよい。
＜実施の形態４＞
次に、実施の形態４に係る半導体装置について説明する。図５は、実施の形態４に係る半導体装置の断面図である。図６は、実施の形態４の変形例１に係る半導体装置の断面図である。図７は、実施の形態４の変形例２に係る半導体装置の断面図である。なお、実施の形態４において、実施の形態１～３で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
図５に示すように、実施の形態４では、実施の形態３に対して段差２には、アンダーカット部４ａが設けられている。アンダーカット部４ａは、溝４の底部に設けられ、溝４の内周側と外周側に延在するように形成されている。なお、実施の形態４の構造を実施の形態１，２の構造に採用することも可能である。
これにより、樹脂材３と放熱部材１との密着性が向上し、半導体モジュール１０と放熱部材１との固定をさらに強固にすることができる。その結果、半導体装置の信頼性をさらに向上させることができる。
なお、溝４の底部に設けられるアンダーカット部４ａは、樹脂材３と放熱部材１との密着性を向上させる形状であればよく、例えば図６に示すように断面視で矩形状の凹凸、または図７に示すように断面視で三角形状の凹凸であってもよい。
＜実施の形態５＞
次に、実施の形態５に係る半導体装置について説明する。図８は、実施の形態５に係る半導体装置の断面図である。なお、実施の形態５において、実施の形態１～４で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
図８に示すように、実施の形態５では、実施の形態３に対して半導体モジュール１０は、複数（例えば２つ）の金属部材１３を備えている。金属部材１３と半導体素子１４との接続関係は２つとも同じである。一方（図８において左側）の半導体素子１４の上面電極はリード電極１５の一端部と接合材２１を介して接合され、他方（図８において右側）の半導体素子１４の上面電極はリード電極２２の一端部と接合材２１を介して接合され、一方の半導体素子１４が搭載された金属部材１３の上面はリード電極２２の他端部と接合されている。また、他方の半導体素子１４が搭載された金属部材１３の上面は接続配線１７を介してリード電極１６の一端部と接続されている。なお、実施の形態５の構造を実施の形態１～４の構造に採用することも可能である。
複数の金属部材１３を備える半導体モジュール１０は、温度変化に伴い反りの変動が大きいため、金属部材１３が１つの場合と比較して、接合材１９がはんだの場合は接合材１９の亀裂が起こりやすく、放熱グリスの場合はポンピングアウトが起こりやすい。実施の形態５では、半導体モジュール１０と放熱部材１とを強固に固定することができるため、反りの変動を抑制することができる。これにより、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
なお、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
１ 放熱部材、２ 段差、３ 樹脂材、４ 溝、４ａ アンダーカット部、１０ 半導体モジュール、１１ 金属板、１２ 絶縁層、１３ 金属部材、１４ 半導体素子、１８ 封止材、１８ａ 突起。

Claims (15)

  1. 放熱部材と、
    前記放熱部材の上面に設けられた半導体モジュールと、を備え、
    前記半導体モジュールは、
    前記放熱部材の上面の接合領域に接合材により接合された金属板と、
    前記金属板の上面に設けられた絶縁層と、
    前記絶縁層の上面に設けられた金属部材と、
    前記金属部材の上面に搭載された半導体素子と、
    前記金属板の下面が露出した状態で、前記金属板、前記絶縁層、前記金属部材、および前記半導体素子を封止する封止材と、を有し、
    前記放熱部材における前記接合領域よりも外周側の部分には、前記接合領域よりも高さ位置が低くなるように段差が設けられ、
    前記段差には、前記半導体モジュールと前記放熱部材との接合部を保護する樹脂材が配置された、半導体装置。
  2. 前記接合材は放熱グリスを含む、請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記接合材ははんだを含む、請求項１に記載の半導体装置。
  4. 前記半導体モジュールの側面には、側方に突出する複数の突起が設けられ、
    複数の前記突起は、前記樹脂材により覆われた、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。
  5. 前記段差は溝により形成された、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置。
  6. 前記段差には、アンダーカット部が設けられた、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体装置。
  7. 前記半導体モジュールは、前記金属部材を複数有している、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の半導体装置。
  8. 前記半導体素子の半導体材料はＳｉＣである、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の半導体装置。
  9. 前記半導体素子は、逆導通ＩＧＢＴである、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の半導体装置。
  10. 前記金属板は銅を含む、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の半導体装置。
  11. 前記金属部材は銅を含む、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の半導体装置。
  12. 前記放熱部材の前記溝の内側面から前記半導体モジュールの側面までの距離ａと、前記放熱部材の前記溝の底面から前記半導体モジュールの下面までの距離ｂは、ａ≦ｂの関係を満たす、請求項５に記載の半導体装置。
  13. 前記放熱部材の上面における前記溝よりも外周側の領域は、前記接合領域よりも高さ位置が高い、請求項１２に記載の半導体装置。
  14. 前記放熱部材の上面における前記溝よりも外周側の領域の高さ位置と、前記放熱部材の上面における前記接合領域の高さ位置との差は、前記接合材の厚みよりも大きい、請求項１３に記載の半導体装置。
  15. 前記放熱部材の前記溝の底面から前記半導体モジュールの下面までの距離ｂと、前記半導体モジュールの側面から前記放熱部材の前記溝の外側面までの距離ｃは、ｂ≦ｃの関係を満たす、請求項１４に記載の半導体装置。
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