JP2023181657A - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製品寿命を確保することができる半導体装置を提供する。製品寿命が確保される半導体装置を得ることができる半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体装置１１は、発熱素子である半導体素子２１と、半導体素子２１に固着される放熱部材である金属製のヒートスプレッダ２２と、を有している。ヒートスプレッダ２２は、互いに離隔した複数の接合端部を有している。接合端部は、ヒートスプレッダ２２を構成する柱３２Ａの端部である。接合端部は、半導体素子２１に直接固着されている。ヒートスプレッダ２２は、三次元積層造形技術を利用して、半導体素子２１からの距離が半導体素子２１に直交する方向に増加する造形方向に造形される。ヒートスプレッダ２２の接合端部は、造形過程において半導体素子２１に直接固着される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。

たとえば特許文献１の半導体装置は、金属製のヒートシンクと、ヒートシンクに接合される半導体モジュールとを有している。半導体モジュールは、ヒートスプレッダと、ヒートスプレッダに半田により接合される半導体素子とを有している。ヒートスプレッダは、直方体状の金属ブロックである。半導体素子は、ヒートスプレッダを介して、ヒートシンクに固定されている。ヒートスプレッダとヒートシンクとは、半田により接合されている。半導体素子が発生する熱は、ヒートスプレッダおよびヒートシンクを介して放熱される。

特開２０１２－１６４６９７号公報

特許文献１の半導体装置では、つぎのようなことが懸念される。たとえば、半導体素子とヒートスプレッダとを接合する際、半導体素子が半田付けに伴う熱の影響を受けるおそれがある。熱は、半導体素子の機能に影響を与えることがある。すなわち、熱は、半導体装置の製品寿命を縮める一因となる。

上記課題を解決し得る半導体装置は、発熱素子である半導体素子と、前記半導体素子に固着される放熱部材である金属製のヒートスプレッダと、を有している。前記ヒートスプレッダは、互いに離隔した複数の接合端部を有し、前記接合端部が前記半導体素子に直接固着されている。

この構成によれば、ヒートスプレッダと半導体素子との接合箇所が、複数の接続端部を介して、複数の箇所に分散される。このため、温度変化が発生した場合、温度変化による各接続端部の変形に伴い、半導体素子には応力が複数の箇所に分散して発生する。接続端部の変形は、加熱に伴う接続端部の膨張、または冷却に伴う収縮を含む。また、たとえば平面部分を有するヒートスプレッダの平面部分を半導体素子に面接触させた状態で、ヒートスプレッダを半導体素子に接合する場合に比べて、複数の接続端部の各々と半導体素子との接合面積は狭い。このため、半導体素子の複数の箇所に分散して発生する個々の応力が緩和される。したがって、半導体装置の製品寿命を確保することができる。

上記の半導体装置において、前記ヒートスプレッダは、複数の柱が組まれることにより構成されてもよい。
この構成によれば、ヒートスプレッダに固着される複数の接続端部を簡単に設けることができる。

上記の半導体装置において、錐状に組まれる複数の第１の柱を有する第１の構造部と、錐状に組まれる複数の第２の柱を有する第２の構造部と、を有していてもよい。この場合、前記複数の第１の柱の端部が集合する部分である前記第１の構造部の先端部と、前記複数の第２の柱の端部が集合する部分である前記第２の構造部の先端部とは互いに連結されており、前記第２の構造部の前記先端部と反対側の端部である基端部は、前記接合端部として前記半導体素子に直接固着されていてもよい。

この構成によれば、第１の構造部の先端部と第２の構造部の先端部とが互いに連結される連結部分の寸法は、第１の構造部の基端部の寸法よりも小さくなる。このため、たとえば、第１の構造部の先端部と反対側の端部である基端部を、平板状の土台を介して基板に接合する場合、温度変化による土台の変形に伴い発生する圧縮応力あるいは引張応力が、第１の構造部と第２の構造部との連結部分に伝達されたとしても、連結部分にはモーメントが働きにくい。連結部分が大きく変形することがないため、土台の変形に伴い発生する圧縮応力あるいは引張応力が、第２の構造部、ひいては半導体素子に伝わることが抑制される。すなわち、土台の変形に伴い発生する圧縮応力あるいは引張応力の伝達が、連結部分によって遮断される。したがって、半導体素子に発生する応力が低減される。このため、半導体素子、ひいては半導体装置の製品寿命を確保することができる。

上記の半導体装置において、前記ヒートスプレッダは、銅または銅合金により一体的に形成されていてもよい。
この構成によれば、製品コストを抑えつつも、放熱性を確保することができる。

上記課題を解決し得る半導体装置の製造方法は、上記の半導体装置の製造方法であって、前記ヒートスプレッダは、三次元積層造形技術を利用して、前記半導体素子からの距離が前記半導体素子に直交する方向に増加する造形方向に造形され、造形過程において前記半導体素子に直接固着される。

この製造方法によれば、ヒートスプレッダは、三次元積層造形技術を利用して造形される。三次元積層造形技術は、複雑な形状を有する造形物の製作に好適である。三次元積層造形技術を利用することにより、ヒートスプレッダを簡単に製作することができる。また、ヒートスプレッダは、三次元積層造形技術を利用した造形過程において、半導体素子に直接固着される。このため、ヒートスプレッダと半導体素子との接合を別工程とする場合に比べて、半導体装置の製造効率が向上する。また、製品寿命が確保される半導体装置を得ることができる。

本発明の半導体装置によれば、製品寿命を確保することができる。本発明の半導体装置の製造方法によれば、製品寿命が確保される半導体装置を得ることができる。

半導体装置の一実施の形態が使用される半導体モジュールの正面図である。 一実施の形態にかかるヒートスプレッダの斜視図である。 半導体装置の一実施の形態の製造方法を説明するための模式図である。 半導体装置の一実施の形態の正面図である。

以下、半導体装置の一実施の形態を説明する。半導体装置は、たとえば、特定の機能を有する半導体モジュールに使用される。
＜半導体モジュール＞
図１に示すように、半導体モジュール１０は、半導体装置１１および基板１２を有している。基板１２は、たとえば平板状の放熱基板である。放熱基板は、放熱性を強化したプリント配線基板である。半導体装置１１は、接合層１３を介して、基板１２の表面に取り付けられている。接合層１３は、溶融した半田あるいは銀ろうが凝固することにより形成される金属層である。半導体装置１１と基板１２とは、金属製のワイヤ１４により接続されている。

半導体装置１１は、半導体素子２１およびヒートスプレッダ２２を有している。
半導体素子２１は、通電によって熱を発生する発熱素子であって、たとえばＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-effect Transistor）である。半導体素子２１は、ベアチップの状態である。ベアチップは、合成樹脂製のパッケージに封入されていない半導体チップである。半導体素子２１は、たとえば、四角形の板状である。半導体素子２１の構成材料は、たとえば、ケイ素（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、あるいは窒化ガリウム（ＧａＮ）である。

半導体素子２１は、電極を有している。電極は、たとえば半導体素子の表面に設けられている。表面は、ヒートスプレッダ２２と反対側の半導体素子２１の面である。半導体素子２１の電極は、ワイヤ１４を介して、基板１２の電極に接続されている。基板１２は、ワイヤ１４を介して、半導体素子２１に電力を供給する。

ヒートスプレッダ２２は、放熱部材であって、半導体素子２１と基板１２との間に介在されている。ヒートスプレッダ２２は、たとえば銅により一体的に形成されている。銅は、熱伝導性に優れる金属である。基板１２に直交する方向のヒートスプレッダ２２の一端は、半導体素子２１に直接固着されている。すなわち、ヒートスプレッダ２２の一端と半導体素子２１との間に接合層は存在しない。基板１２に直交する方向のヒートスプレッダ２２の他端は、接合層１３を介して、基板１２の表面に接合されている。第２の端部は、第１の端部と反対側の端部である。

半導体素子２１が発生する熱は、ヒートスプレッダ２２を介して基板１２に伝達される。基板１２に伝達される熱は、さらに基板１２の外部に放熱される。
＜ヒートスプレッダ２２の構成＞
つぎに、ヒートスプレッダ２２の構成について詳細に説明する。

図１および図２に示すように、ヒートスプレッダ２２は、第１の構造部３１および第２の構造部３２を有している。第１の構造部３１は、全体として錐形の輪郭を有している。第２の構造部３２も、全体として錐形の輪郭を有している。第１の構造部３１の先端部と、第２の構造部３２の先端部とは、連結部３３で互いに連結されている。連結部３３は、第１の構造部３１の先端部と、第２の構造部３２の先端部との連結部分である。

第１の構造部３１は、複数の柱３１Ａおよび土台３１Ｂを有している。柱３１Ａは、第１の柱である。柱３１Ａの延びる方向に直交する方向の断面形状は、たとえば円形である。土台３１Ｂは、たとえば四角形の平板である。土台３１Ｂは、ヒートスプレッダ２２を基板１２に接合するための部分である。複数の柱３１Ａは、土台３１Ｂの表面上において、錐状に組まれている。複数の柱３１Ａは、土台３１Ｂからの距離が土台３１Ｂに直交する方向に増加するにつれて、互いに近づくように傾斜している。

複数の柱３１Ａの第１の端部は、それぞれ土台３１Ｂの表面に連結されている。複数の柱３１Ａの第１の端部は、互いに離隔している。複数の柱３１Ａの第２の端部は、互いに連結されている。複数の柱３１Ａの第２の端部が連結された部分は、第１の構造部３１の先端部に相当する。すなわち、連結部３３は、複数の柱３１Ａの第２の端部が集合する部分でもある。第１の構造部３１の密度は、第１の構造部３１の基端部から先端部へ向かうにつれて高くなる。密度は、第１の構造部３１において柱３１Ａが占める割合である。基端部は、先端部と反対側の第１の構造部３１の端部である。

第２の構造部３２は、複数の柱３２Ａを有している。柱３２Ａは、第２の柱である。柱３２Ａの延びる方向に直交する方向の断面形状は、たとえば円形である。複数の柱３２Ａは、錐状に組まれている。複数の柱３２Ａは、半導体素子２１からの距離が半導体素子２１に直交する方向に増加するにつれて、互いに近づくように傾斜している。

複数の柱３２Ａの第１の端部は、それぞれ半導体素子２１の裏面に直接固着されている。すなわち、柱３２Ａの第１の端部は、半導体素子２１に接合される接合端部である。裏面は、ワイヤ１４が接続される半導体素子２１の表面と反対側の面である。複数の柱３２Ａの第１の端部は、互いに離隔している。複数の柱３２Ａの第２の端部は、互いに連結されている。複数の柱３２Ａの第２の端部が連結された部分は、第２の構造部３２の先端部に相当する。すなわち、連結部３３は、複数の柱３２Ａの第２の端部が集合する部分でもある。第２の構造部３２の密度は、第２の構造部３２の基端部から先端部へ向かうにつれて高くなる。密度は、第２の構造部３２において柱３２Ａが占める割合である。基端部は、先端部と反対側の第２の構造部３２の端部である。

なお、第１の構造部３１の柱３１Ａの延びる方向に直交する方向の断面積、および第２の構造部３２の柱３２Ａの延びる方向に直交する方向の断面積は、たとえば、半導体素子２１の発熱量に応じて、適宜設定される。

図１に示すように、第１の構造部３１および第２の構造部３２の並び方向（図１中の上下方向）に直交する方向において、第１の構造部３１の基端部の寸法Ｗ１、第２の構造部３２の基端部の寸法Ｗ２、および連結部３３の寸法Ｗ３の大小関係は、つぎの関係式（１）に示す通りである。第１の構造部３１の基端部の寸法Ｗ１は、土台３１Ｂの寸法である。

Ｗ１＞Ｗ２≫Ｗ３ …（１）
ただし、「≫」は、非常に大きいことを示す。
関係式（１）に示されるように、連結部３３の寸法Ｗ３は、第１の構造部３１の基端部の寸法Ｗ１および第２の構造部３２の基端部の寸法Ｗ２よりも非常に小さい値に設定されている。また、第１の構造部３１の基端部の寸法Ｗ１は、第２の構造部３２の基端部の寸法Ｗ２よりも大きい値に設定されている。

＜半導体装置１１の製造方法＞
つぎに、半導体装置１１の製造方法について説明する。
半導体装置１１は、３Ｄプリンタを使用して製造される。３Ｄプリンタは、三次元積層造形技術を利用して、立体の造形物を製作する装置である。三次元積層造形技術は、三次元の設計データに基づき、スライスされた２次元の層を１層ずつ積み重ねていくことによって、立体の造形物を製作する技術である。

造形方式は、たとえばパウダーベッド方式である。パウダーベッド方式は、たとえば金属粉末を造形床に機械的に敷き詰め、敷き詰めた金属粉末にレーザあるいは電子ビームを熱源として照射することにより、造形する部分を溶融させた後、凝固させる方法である。造形物は、定められた積層厚みで一層ずつ金属粉末を敷き詰め、溶融と凝固とを繰り返すことにより造形される。レーザあるいは電子ビームが照射されない部分の金属粉末は固化していないので、造形物は金属粉末に徐々に埋もれていく。造形物の造形が完了した後、金属粉末を取り除き、造形物を取り出す。

半導体装置１１の製造手順は、つぎの通りである。
図３に示すように、まず、半導体素子２１を３Ｄプリンタの造形床４１にセットする。半導体素子２１は、位置決め装置によって、造形床４１に沿う方向、および造形床４１に直交する方向の移動が規制された状態に維持される。また、半導体素子２１の表面は、その全面が造形床４１に接触した状態に維持される。表面は、ワイヤ１４が接続される半導体素子２１の面である。

この状態で、ヒートスプレッダ２２の造形が開始される。図３に矢印Ｄ１で示されるように、造形方向は、半導体素子２１からの距離が半導体素子２１に直交する方向に増加する方向である。すなわち、ヒートスプレッダ２２は、第２の構造部３２および第１の構造部３１の順序で造形される。第２の構造部３２における複数の柱３２Ａの第１の端部が造形される際、溶融した金属が凝固することにより、柱３２Ａの第１の端部が半導体素子２１の裏面に直接固着される。ヒートスプレッダ２２の造形が完了した後、金属粉末４２を取り除き、半導体装置１１を取り出す。

以上で、半導体装置１１の製造が完了となる。
半導体装置１１におけるヒートスプレッダ２２の土台３１Ｂを基板１２に接合することにより、半導体モジュール１０が製造される。接合は、半田または銀ろうを使用した、ろう付けにより行われる。

＜実施の形態の作用および効果＞
本実施の形態によれば、以下の作用および効果を得ることができる。
（１）半導体素子２１に接合される複数の柱３２Ａの第１の端部は、互いに離隔している。柱３２Ａの第１の端部は、三次元積層造形技術を利用した造形過程において、半導体素子２１に直接固着される。このため、たとえば直方体状のヒートスプレッダを半導体素子２１に面接触させた状態で、直方体状のヒートスプレッダを半導体素子２１に接合する場合と異なり、半導体素子２１の熱応力が抑制される。

これは、つぎの理由による。すなわち、ヒートスプレッダ２２と半導体素子２１との接合箇所が、複数の柱３２Ａを介して、複数の箇所に分散される。このため、温度変化が発生した場合、温度変化による各柱３２Ａの変形に伴い、半導体素子２１には応力が複数の箇所に分散して発生する。柱３２Ａの変形は、加熱に伴う柱３２Ａの膨張、または冷却に伴う収縮を含む。また、たとえば直方体状のヒートスプレッダの平面部分を半導体素子２１に面接触させた状態で、直方体状のヒートスプレッダを半導体素子２１に接合する場合に比べて、複数の柱３２Ａの各々と半導体素子２１との接合面積は狭い。このため、半導体素子２１の複数の箇所に分散して発生する個々の応力が緩和される。したがって、半導体素子２１の製品寿命を確保することができる。また、半導体装置１１の動作の信頼性を確保することもできる。

（２）ヒートスプレッダ２２は、複数の柱３１Ａ，３２Ａが組まれることにより構成されている。このため、ヒートスプレッダ２２に固着される複数の接続端部を簡単に設けることができる。接続端部は、第２の構造部を構成する柱３２Ａの第１の端部である。

（３）ヒートスプレッダ２２は、互いに離隔した複数の柱３２Ａの第１の端部を介して、半導体素子２１に接合される。このため、たとえば直方体状のヒートスプレッダの平面部分を半導体素子２１に面接触させた状態で、直方体状のヒートスプレッダを半導体素子２１に接合する場合に比べて、ヒートスプレッダ２２と半導体素子２１との接合面積が狭くなることが懸念される。

この点、ヒートスプレッダ２２の構成材料は、たとえば銅である。銅は、たとえば半田に比べて、熱伝導性に優れる。その銅製の柱３２Ａの第１の端部が半導体素子２１に直接固着されている。このため、接合面積の減少に伴う放熱性の低下が、複数の柱３２Ａの第１の端部を半導体素子２１に直接固着することにより補われる。すなわち、半田などの接合層を介さないことにより、ヒートスプレッダ２２のトータルとしての放熱性を確保することができる。

（４）図４に示すように、ヒートスプレッダ２２と基板１２とを接合する際、ろう付けによる第１の構造部３１の基端部の加熱により、土台３１Ｂが反るおそれがある。土台３１Ｂは、たとえば、半導体素子２１側が凸となるように反る。このとき、土台３１Ｂの反りに起因して土台３１Ｂに発生する圧縮応力Ｆ１あるいは引張応力Ｆ２が、第１の構造部３１および第２の構造部３２を介して、半導体素子２１に伝達されることが懸念される。

この点、複数の柱３１Ａの第２の端部および複数の柱３２Ａの第２の端部が集合する部分である連結部３３の寸法Ｗ３は、第１の構造部３１の基端部の寸法Ｗ１よりも非常に小さい。このため、土台３１Ｂの変形に伴い発生する圧縮応力Ｆ１あるいは引張応力Ｆ２が連結部３３に伝達されたとしても、連結部３３にはモーメントが働きにくい。モーメントは、物体の特定の点を中心として物体を回転させる方向に作用する力である。連結部３３が大きく変形することがないため、土台３１Ｂの変形に伴い発生する圧縮応力あるいは引張応力が、第２の構造部３２、ひいては半導体素子２１に伝わることが抑制される。すなわち、土台３１Ｂの変形に伴い発生する圧縮応力あるいは引張応力の伝達が、連結部３３によって遮断される。したがって、半導体素子２１に発生する応力が低減される。このため、半導体素子２１、ひいては半導体装置１１の製品寿命を確保することができる。また、半導体装置１１の動作の信頼性を確保することもできる。

（５）ヒートスプレッダ２２は、銅により一体的に形成されている。このため、製品コストを抑えつつも、放熱性を確保することができる。銅は、熱伝導率が高いだけでなく、価格が手頃である。たとえば、金あるいは銀は、優れた熱伝導性を有するものの、高価である。

（６）ヒートスプレッダ２２は、三次元積層造形技術を利用して造形される。三次元積層造形技術は、複雑な形状を有する造形物の製作に好適である。三次元積層造形技術を利用することにより、ヒートスプレッダ２２を簡単に製作することができる。また、ヒートスプレッダ２２は、三次元積層造形技術を利用した造形過程において、半導体素子２１に接合される。このため、ヒートスプレッダ２２と半導体素子２１との接合を別工程とする場合に比べて、半導体装置１１の製造効率が向上する。

＜他の実施の形態＞
なお、本実施の形態は、つぎのように変更して実施してもよい。
・ヒートスプレッダ２２の構成材料は、熱伝導性に優れた材料であればよい。ヒートスプレッダ２２の構成材料は、たとえば、銅合金、あるいはアルミニウムであってもよい。

・半導体素子２１にヒートシンクを造形するようにしてもよい。ヒートシンクの構成材料は、たとえばアルミニウムである。ヒートシンクは、三次元積層造形技術、すなわち金属３Ｄプリンタを利用して造形してもよい。

・第１の構造部３１の柱３１Ａの数は、３つ以上であればよい。第２の構造部３２の柱３２Ａの数も、３つ以上であればよい。
・第１の構造部３１の柱３１Ａの断面形状、および第２の構造部３２の柱３２Ａの断面形状は、円形に限らない。断面形状は、四角形、三角形、または楕円形であってもよい。

・第１の構造部３１および第２の構造部３２の輪郭形状は、円錐状に限らない。輪郭形状は、四角錐状、三角錐状、または楕円錐状であってもよい。
・第１の構造部３１は、複数の柱３１Ａを錐状に組むかたちで構成したが、錐状の金属ブロックであってもよい。

・ヒートスプレッダ２２は、三次元積層造形技術を利用して製造しなくてもよい。柱３１Ａ、土台３１Ｂ、および柱３２Ａを、たとえばレーザ溶接などにより、個別に接合してもよい。複数の柱３２Ａの第１の端部は、たとえば半田付けなどのろう付けによって、半導体素子２１に接合される。

１１…半導体装置
１２…基板
２１…半導体素子
２２…ヒートスプレッダ
３１…第１の構造部
３１Ａ…柱（第１の柱）
３１Ｂ…土台
３２…第２の構造部
３２Ａ…柱（第２の柱）

Claims (5)

1. 発熱素子である半導体素子と、
   前記半導体素子に固着される放熱部材である金属製のヒートスプレッダと、を有し、
   前記ヒートスプレッダは、互いに離隔した複数の接合端部を有し、前記接合端部が前記半導体素子に直接固着されている半導体装置。
2. 前記ヒートスプレッダは、複数の柱が組まれることにより構成される請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記ヒートスプレッダは、錐状に組まれる複数の第１の柱を有する第１の構造部と、錐状に組まれる複数の第２の柱を有する第２の構造部と、を有し、
   前記複数の第１の柱の端部が集合する部分である前記第１の構造部の先端部と、前記複数の第２の柱の端部が集合する部分である前記第２の構造部の先端部とは互いに連結されており、前記第２の構造部の前記先端部と反対側の端部である基端部は、前記接合端部として前記半導体素子に直接固着されている請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記ヒートスプレッダは、銅または銅合金により一体的に形成されている請求項３に記載の半導体装置。
5. 請求項１～請求項４のうちいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法であって、
   前記ヒートスプレッダは、三次元積層造形技術を利用して、前記半導体素子からの距離が前記半導体素子に直交する方向に増加する造形方向に造形され、造形過程において前記半導体素子に直接固着される半導体装置の製造方法。

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