JP3198019U - 半導体装置 - Google Patents

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慎司 多田
慎司 多田
英司 望月
英司 望月
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芳孝 西村
龍男 西澤
龍男 西澤
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Abstract

【課題】簡単な構造で確実に封止樹脂と金属面との剥離を抑制できる実装構造を備えた半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置１０１は、半導体素子１０と、絶縁基板２１と第１金属層２２と第２金属層２３とを有する絶縁回路基板２０と、を備える。電気回路を構成しない金属ブロック１の平坦な下面が第１金属層２２に対して平行となるように接合され、第１金属層２２の表面、半導体素子１０の表面、及び金属ブロック１の表面が封止樹脂によって被覆されている。【選択図】図１

Description

本考案は、半導体装置の実装構造に係り、特にエポキシ樹脂封止型パワー半導体モジュールの実装構造に関する。
パワー半導体モジュールは、産業機械や輸送機械等の電力変換器として用いられ、大電流を流すことができるように、放熱性に優れた様々なパッケージが開発されている。
従来のパワー半導体モジュールの一例を図９に示した。パワー半導体モジュール１００は、半導体素子１０と、絶縁基板２１の一方の主面に第１金属層２２と他方の主面に第２金属層２３を有する絶縁回路基板２０と、金属板３０と、ボンディングワイヤ４１と、外部端子５１と、ケース７０と、封止樹脂８１とを備える。半導体素子１０の裏面は、接合部材（例えば半田）６１を介して絶縁回路基板２０の第１金属層２２に接合され、絶縁回路基板２０の第２金属層２３は、接合部材（例えば半田）６２を介して金属板３０に接合されている。半導体素子１０で発生した熱は、接合部材６１、第１金属層２２、絶縁基板２１、第２金属層２３、接合部材６２、金属板３０の順に伝えられ、更には金属板３０から図示しない冷却器に伝えられて放熱される。第１金属層２２は、複数のパターンに分かれ、ボンディングワイヤ４１によって半導体素子１０に導電接続されて電気回路をなしている。さらに、第１金属層２２には、接合部材６１によって外部接続端子５１が接合されており、外部回路に電気的に接続できるようになっている。パワー半導体モジュール１００は、外部環境から保護するために、半導体素子１０、絶縁回路基板２０およびボンディングワイヤ４１をケース７０に格納し、外部接続端子５１の一端と金属板３０の下面および金属板３０の側面の一部を除いて、ケース７０内を封止樹脂８１で充填されている。
パワーサイクル試験によれば、封止樹脂８１がシリコーンゲルであるよりも、エポキシ樹脂の方が信頼性に優れている。ただし、エポキシ樹脂と金属との密着性は必ずしも良いとは言えないという点に問題がある。とりわけ、第１金属層２２の外縁は絶縁基板２１に対して段差を有するので、外縁に応力が集中して、封止樹脂８１が剥離し易くなっている。外縁の剥離が、たとえ小さなものであったとしても、図１０に示されるように、剥離部分の楔状の先端Ｐにエポキシ樹脂の内部応力Ｆが集中して新たな剥離を生み、剥離面積を拡げる方向に進展していくことが知られている。
封止樹脂と金属面との剥離を抑制する方法としては、例えば下記の特許文献１、２が知られている。
特許文献１には、絶縁基板上に設けられた電極パターン上面に半導体素子が固着された半導体素子基板を金属のベース板上に配置し、少なくとも上記電極パターンおよび上記半導体素子を封止樹脂により被覆した半導体装置において、表面が滑らかな形状でかつ上記封止樹脂よりも弾性率が高い材料で形成された、線状の凹凸形成用構造部材を、上記半導体素子を囲むように、上記電極パターンに固着剤により固着して配置したことを特徴とする半導体装置が開示されている。
また、特許文献２には、半導体素子を囲むように区画壁を設け、前記区画壁の上面に中継端子用電極を設け、前記区画壁の内側には第一の封止樹脂を充填し、前記区画壁の外側は第一の封止樹脂よりも弾性率の小さい第二の封止樹脂を充填し、前記区画壁内から前記区画壁外への配線を、前記中継端子用電極を介して引き出したことを特徴とする電力用半導体装置が開示されている。
特許第５２９７４１９号 国際公開第２０１３／１１１２７６号
しかしながら、特許文献１に記載されている表面が滑らかな形状でかつ上記封止樹脂よりも弾性率が高い材料で形成された線状の凹凸形成用構造部材とは、具体的には、円形又は楕円形の線材であって、絶縁基板上に設けられた電極パターンに密着させて接合することが難しく、線材が浮き上がった箇所から剥離が進行する虞があった。
一方、特許文献２においては、半導体素子が、区画壁により完全に囲まれているために、中継端子用電極が必要であることや、レイアウトの自由度が小さく無駄なスペースが生じ易いということが、問題になっていた。
したがって、本考案の目的は、簡単な構造で確実に封止樹脂と金属面と剥離を抑制できる実装構造を備えた半導体装置を提供することにある。
上記目的を達成するため、本考案の半導体装置は、半導体素子と、絶縁基板と、前記絶縁基板の一方の主面に配置され前記半導体素子を接合する第１金属層と、前記絶縁基板の他方の主面に配置された第２金属層とを有する絶縁回路基板と、を備える半導体装置であって、電気回路を構成しない金属ブロックの平坦な下面が前記第１金属層に対して平行となるように接合され、前記第１金属層の表面、前記半導体素子の表面、及び前記金属ブロックの表面が封止樹脂によって被覆されていることを特徴とする。
本考案の半導体装置によれば、金属ブロックの平坦な下面が前記第１金属層と平行となるように接合されるため、金属ブロックの座りが安定しており、金属ブロックの浮き上がりを防止できる。そして、金属ブロックは、剥離進展の障害物となり、剥離するまでの時間を遅延させるので、半導体装置の寿命を延ばすことができる。
本考案の半導体装置において、前記金属ブロックの断面形状が、正方形、長方形、台形、Ｌ字型、Ｉ字型のいずれかであることが好ましい。
上記態様によれば、金属ブロックの下面が平面になっているので、接合した時の座りが安定しており、金属ブロックが封止樹脂を機械的に噛みこむことによって、密着性が向上する。
本考案の半導体装置において、前記金属ブロックの角部が面取りされていることが好ましい。
上記態様によれば、金属ブロックの角部において応力集中を緩和し、剥離の進行を遅らせることができる。
本考案の半導体装置において、前記金属ブロックの大きさは、前記金属ブロックと前記第１金属層との接合面の一辺の長さが、前記半導体素子の一辺の長さに等しいか、又はそれ以下であることが好ましい。
上記態様によれば、半導体素子の周りに金属ブロックを配置し易くなり、半導体装置を小型化できる。
本考案の半導体装置において、前記金属ブロックは、前記第１金属層の外縁近傍に設置されていることが好ましい。
上記態様によれば、応力が集中する外縁に選択的に配置して、配置の無駄を省き、半導体装置を小型化できる。
本考案の半導体装置において、前記半導体素子と前記金属ブロックとは、同じ接合部材により、前記第１金属層と接合されている前記半導体素子と前記金属ブロックとは、同じ接合部材により、前記第１金属層と接合されていることが好ましい。
上記態様によれば、半導体素子と金属ブロックを同じ工程で接合できる。
本考案の半導体装置によれば、金属ブロックの下面が前記第１金属層と平行となるように接合されるため、金属ブロックの座りがよく、金属ブロックの浮き上がりを防止できる。そして、金属ブロックは、剥離進展の障害物となり、剥離するまでの時間を遅延させるので、半導体装置の寿命を延ばすことができる。
本考案の半導体装置に係る一実施形態をあらわす断面図である。 本考案の半導体装置に係る他の実施形態をあらわす断面図である。 本考案の半導体装置に係る更に他の実施形態をあらわす断面図である。 本考案の半導体装置に係る更に他の実施形態をあらわす断面図である。 本考案の半導体装置に係る更に他の実施形態をあらわす断面図である。 本考案の半導体装置に係る更に他の実施形態をあらわす断面図である。 本考案に用いられる金属ブロックの例をあらわす斜視図である。 本考案による金属ブロックの配置の好ましい態様を概念的に説明する平面図である。 従来の半導体装置に係る一実施形態をあらわす断面図である。 剥離の進展を説明する概念図である。
以下、図面に基づいて本考案の一実施形態を説明する。
［第１実施形態］
図１には、本考案の半導体装置に係る一実施形態の断面図が示されている。半導体装置１０１は、金属ブロック１と、半導体素子１０と、絶縁基板２１の一方の主面に第１金属層２２と他方の主面に第２金属層２３を有する絶縁回路基板２０と、金属板３０と、ボンディングワイヤ４１と、外部端子５１と、ケース７０と、封止樹脂８２とを備える。
本考案の半導体装置１０１において、金属ブロック１及び半導体素子１０の裏面は、接合部材６１を介して絶縁回路基板２０の第１金属層２２に接合されている。絶縁回路基板２０の第２金属層２３は、接合部材６２を介して金属板３０に接合されている。半導体素子１０で発生した熱は、接合部材６１、第１金属層２２、絶縁基板２１、第２金属層２３、接合部材６２を経て、金属板３０に伝わり、更に図示しない冷却器に伝わり、そこで放熱される。
本考案の半導体装置１０１において、第１金属層２２は分割されて回路パターンになっている。半導体素子１０の表面電極は、ボンディングワイヤ４１によって、第１金属層２２と電気的に接続されて、ひとつの電流経路をなしている。また、半導体素子１０の裏面は、導電性の接合部材６１によって第１金属層２２に接続されて、上記とは別の電流経路をなしている。そして、上記電流経路のそれぞれには、外部接続端子５１が接合部材６１によって接合されており、外部回路に電気的に接続できるようになっている。また、上記に加えて、図示していないが、半導体素子間を直接接続するボンディングワイヤを備える場合もある。ただし、金属ブロック１は、第１金属層２２以外には、どこにも接続されないので、電気回路は構成しない。なお、導電性の接合部材６１は、特に限定されず、例えば鉛フリーの半田等を好適に用いることができる。
本考案の半導体装置１０１において、半導体素子１０と絶縁回路基板２０は、外部環境から保護するために、ケース７０に収納され、封止樹脂８２が充填されている。よって、金属ブロック１の表面、半導体素子１０の表面、及び第１金属層２２の表面は、封止樹脂８２に覆われている。ケース７０の材質は、特に限定されず、例えばサルファイド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ジアリルフタレート樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂等を好適に用いることができる。また、封止樹脂８２の材質は、特に限定されず、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂等の硬質樹脂を好適に用いることができる。また、ケース７０を使用する限りにおいては、シリコーンゲル等の軟質樹脂であってもよい。
上記のように構成すれば、封止樹脂８２の剥離は、金属ブロック２０に到達したところで進路を妨げられ、金属ブロック１の表面を回り込み更に進むためにはより大きな駆動力を必要とし、更には回り道をすることにより剥離進展が遅延するので、半導体の寿命を延ばすことができる。
以下、金属ブロック１の好ましい態様について、更に詳しく説明する。
金属ブロック１の材質は、特に限定されず、加工し易く、剛性を備え、半導体素子１０と共に接合部材６１によって接合可能できる金属材料であることが好ましい。例えば、半田接合する場合は、錫めっきされた銅又は銅合金等を好適に用いることができる。同じ接合部材を用いると、同じ工程で、金属ブロック１と半導体素子１０を同時に接合できるので、工程数を増やさなくてもよいという利点がある。
金属ブロック１の形状は、例えば、図７に示されるように、断面Ｓ１が、正方形断面の金属ブロック１、長方形断面の金属ブロック２、逆台形の金属ブロック３、Ｌ字型の金属ブロック４、Ｉ字型の金属ブロック５等が、好適に使用できる。これらの金属ブロックは、金属ブロックの下面Ｓ２が平面になっており、第１金属層２２の金属面に対して平行に据えることができ、座りが安定しているので、金属ブロックの浮き上がりを防止することができる。そして、金属ブロックに封止樹脂を機械的に噛み込ませることにより、封止樹脂の密着性が向上する。また、金属ブロックの角部は、応力集中を防ぐために、面取りされていることが好ましい。面取りすることによって、更に剥離しにくくなる。
本考案における金属ブロックの金属ブロックの大きさは、下面の一辺の長さが、半導体素子の一辺の長さに等しいか、又はそれ以下であることが好ましい。このようにすれば、半導体素子の周りに金属ブロックを配置し易くなり、配置の自由度が増すので、半導体装置を小型化できる。
また、金属ブロックは、第１金属層の外縁近傍に設置されていることが好ましい。このようにすれば、応力が集中する外縁に選択的に配置して、配置の無駄を省き、半導体装置を小型化できる。
金属ブロックの配置の一例を、図面を用いて説明する。図８には、絶縁回路基板２０を上から見た平面図が示されている。第１金属層は、２２ａ、２２ｂ、２２ｃに分割されて回路パターンをなしている。第１金属層２２ａには、大きさの異なる半導体素子１０ａと１０ｂが配置されている。金属ブロック１ａ〜１ｈは、半導体素子の一辺の長さに等しいか、又はそれ以下にされているので、第１金属層２２ａの外縁と、半導体素子１０ａ及び１０ｂとの外縁とに挟まれた回廊のようなスペースに無駄なく配置されている。他の回路パターンについても、この例に倣って同様に行えばよい。
［第２実施形態］
図２には、本考案の半導体装置に係る他の実施形態の断面図が示されている。半導体装置１０２には、第１金属層に穿設された孔に、錫めっきされたピン端子５２を挿入し、熱処理して拡散接合した絶縁回路基板２０が用いられている。半導体装置１０２は、外部回路との接続にピン端子５２を用いる点を除いて、他の部材の形態は半導体装置１０１と共通するため、金属ブロック１を配置することによって、封止樹脂の剥離を抑制できるという、実施形態１と同様の作用効果がもたらされる。ピン端子５２を使用することにより、半導体装置１０２のユーザーは、組立が容易な、差込み式の実装方式を選択することができる。
［第３実施形態］
図３には、本考案の半導体装置に係る更に他の実施形態の断面図が示されている。半導体装置１０３は、半導体装置１０２を原型としており、封止樹脂８２に機械的強度の高い熱硬化性樹脂（例えばエポキシ樹脂）を用いてケース７０を廃し、低コスト化したものである。その他は半導体装置１０２と共通するため、金属ブロック１を配置することによって、封止樹脂の剥離を抑制できるという、実施形態２と同様の作用効果がもたらされる。
［第４実施形態］
図４には、本考案の半導体装置に係る更に他の実施形態の断面図が示されている。半導体装置１０４は、半導体装置１０３を原型としており、金属板３０を廃し、第２金属層２３の下面を封止樹脂８２の外に露出させて、低コスト化したものである。その他は半導体装置１０３と共通するため、金属ブロック１を配置することによって、封止樹脂の剥離を抑制できるという、実施形態３と同様の作用効果がもたらされる。
［第５実施形態］
図５には、本考案の半導体装置に係る更に他の実施形態の断面図が示されている。半導体装置１０５は、半導体装置１０４を原型とし、ボンディングワイヤ４１をプリント基板４２と導電性ポスト４４とに変えたものである。プリント基板４２の下面に配置された銅箔回路パターン（図示しない）は、半導体素子１０や導電性ポスト４４と半田を介して導電接続されている。また、導電性ポスト４４の他方の端は、第１金属層２２と導電接続されている。プリント基板４２を用いることにより、ボンディングワイヤを使用する場合に比べて組立作業時間を短縮し低コスト化できる。その他は半導体装置１０４と共通するため、金属ブロック１を配置することによって、封止樹脂の剥離を抑制できるという、実施形態４と同様の作用効果がもたらされる。
［第６実施形態］
図６には、本考案の半導体装置に係る更に他の実施形態の断面図が示されている。半導体装置１０６は、半導体装置１０４を原型とし、ボンディングワイヤ４１をリードフレーム４３に変えたものである。リードフレーム４３を用いることにより、ボンディングワイヤを使用する場合に比べて組立作業時間を短縮し低コスト化できる。その他は半導体装置１０４と共通するため、金属ブロック１を配置することによって、封止樹脂の剥離を抑制できるという、実施形態４と同様の作用効果がもたらされる。
１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈ，２，３，４，５ 金属ブロック
１０，１０ａ，１０ｂ 半導体素子
２０ 絶縁回路基板
２１ 絶縁基板
２２，２２ａ，２２ｂ，２２ｃ 第１金属層
２３ 第２金属層
３０ 金属板
４１ ボンディングワイヤ
４２ プリント基板
４３ リードフレーム
４４ 導電性ポスト
５１ 外部端子
５２ ピン端子
６１，６２，６３ 接合部材
７０ ケース
８１ 封止樹脂（例えばシリコーンゲル）
８２ 封止樹脂（例えばエポキシ樹脂）
１００，１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６ パワー半導体モジュール
Ｆ 内部応力
Ｐ 剥離部分の楔状の先端
Ｓ１ 金属ブロックの断面
Ｓ２ 金属ブロックの下面

Claims (6)

  1. 半導体素子と、
    絶縁基板と、前記絶縁基板の一方の主面に配置され前記半導体素子を接合する第１金属層と、前記絶縁基板の他方の主面に配置された第２金属層とを有する絶縁回路基板と、
    を備える半導体装置であって、
    電気回路を構成しない金属ブロックの平坦な下面が前記第１金属層に対して平行となるように接合され、前記第１金属層の表面、前記半導体素子の表面、及び前記金属ブロックの表面が封止樹脂によって被覆されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記金属ブロックの断面形状が、正方形、長方形、台形、Ｌ字型、Ｉ字型のいずれかである請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記金属ブロックの角部が面取りされている請求項１又は２に記載の半導体装置。
  4. 前記金属ブロックの大きさは、前記金属ブロックと前記第１金属層との接合面の一辺の長さが、前記半導体素子の一辺の長さに等しいか、又はそれ以下である請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置。
  5. 前記金属ブロックは、前記第１金属層の外縁近傍に設置されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体装置。
  6. 前記半導体素子と前記金属ブロックとは、同じ接合部材により、前記第１金属層と接合されている請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体装置。
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