JP5178759B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は半導体装置に関し、特に半導体装置におけるパワー半導体素子と金属板との接合に関する。
半導体装置におけるパワー半導体素子は、その表面と裏面の間に流れる電流の量を制御する素子であるが、電流が流れる際に発生する電力損失により熱が発生する。このため、通電と放熱を兼用した金属導体上に半田等の接合材料（接合部材）を用いてパワー半導体を接続し、外部との電気的な接続と放熱との両方を行う。
大きな電流を制御するためにパワー半導体素子自体を大きくし、それに伴い発生する熱の放熱性を向上させるために放熱板の厚みを厚くした場合、金属導体とパワー半導体素子との線膨張係数の差により、パワー半導体素子にひずみが生じて半導体素子が破損する恐れがあった。
このパワー半導体素子の破損を防止する為には、金属導体とパワー半導体素子とを接続している接合部材の厚みを厚くする必要があるが、接合部材として用いられる半田は、熱伝導率、導電率ともに金属導体のそれよりも低いため、放熱性、電気抵抗ともに悪化してしまうという問題があった。
このような問題を解決するものとして、特許文献１、２に示すような、網状の金属体をパワー半導体素子と金属導体との間に配置し、金属導体とパワー半導体素子とを接合するための接合部材（半田等）を浸含させながら接合させる方法がある。
特開昭５５−９３２３０号公報 特開昭６２−１９８１４０号公報
しかし、特許文献１、２に示すような方法であっても、さらに大きな電流を制御するため接合部材の厚みを厚くした場合に、その放熱性等が悪化してしまうという問題があった。
本発明は上記のような問題を解決するためになされたものであり、さらに大きな電流を制御する際にも、放熱性等の悪化を抑制した半導体装置の提供を目的とする。
本発明にかかる半導体装置は、半導体素子と、前記半導体素子の上面および下面を接合する接合部と、前記接合部を介して前記半導体素子に上下から接合される金属板とを備え、前記接合部は、前記半導体素子と前記金属板との間に配置された網状金属体と、前記網状金属体を埋設する接合部材とを備え、前記半導体素子は、複数備えられ、前記接合部は、各前記半導体素子の上面および下面を接合し、前記金属板は、前記接合部を介して前記複数の半導体素子に共通して前記上下から接合され、前記接合部は、前記接合部材に埋設され一端が前記網状金属体に接合された柱状金属をさらに備える。
本発明にかかる半導体装置によれば、半導体素子と、前記半導体素子の上面および下面を接合する接合部と、前記接合部を介して前記半導体素子に上下から接合される金属板とを備え、前記接合部は、前記半導体素子と前記金属板との間に配置された網状金属体と、前記網状金属体を埋設する接合部材とを備え、前記半導体素子は、複数備えられ、前記接合部は、各前記半導体素子の上面および下面を接合し、前記金属板は、前記接合部を介して前記複数の半導体素子に共通して前記上下から接合され、前記接合部は、前記接合部材に埋設され一端が前記網状金属体に接合された柱状金属をさらに備えることにより、上面および下面の金属板に効率的に放熱することが可能となる。
実施の形態１にかかる半導体装置の、パワー半導体素子と金属板との接合部の断面図である。 実施の形態１にかかる半導体装置の、パワー半導体素子と金属板との接合部の断面図である。 実施の形態１にかかる半導体装置の網状金属体の金属線を、渦巻状に加工した金属の上面模式図である。 実施の形態１にかかる半導体装置の、パワー半導体素子と金属板との接合部の断面図である。 実施の形態１にかかる半導体装置の、パワー半導体素子と金属板との接合部の断面図である。 実施の形態２にかかる半導体装置の、柱状金属を接合させた網状金属体の断面図である。 実施の形態２にかかる半導体装置の、柱状金属の両面に網状金属体を接合させた金属の断面図である。 実施の形態３にかかる半導体装置の、縦横の金属線（金属細線）の本数を変えた網状金属体の断面図である。 実施の形態３にかかる半導体装置の、縦横の金属線（金属細線）の本数を変え、プレスした網状金属体の断面図である。 実施の形態３にかかる半導体装置の、網状金属体と金属板とをプレスし、一体化させた金属の断面図である。 実施の形態３にかかる半導体装置の、網状金属体と金属板とをプレスし、一体化させた金属の断面図である。 実施の形態３にかかる半導体装置の、網状金属体の四方を曲げた金属の断面模式図である。 実施の形態４にかかる半導体装置の、一部を打ち抜いた網状金属体の上面図である。 実施の形態４にかかる半導体装置の、一部を打ち抜いた網状金属体の上面図である。 実施の形態４にかかる半導体装置の、複数のパワー半導体素子搭載間を打ち抜いた網状金属体の上面図である。 前提技術としての半導体装置の、パワー半導体素子と金属板との接合部の断面図である。 前提技術としての半導体装置の、パワー半導体素子と金属板との接合部の断面図である。
図１６に、本発明の前提技術としての半導体装置の断面図を示す。図１６において半導体装置は、パワー半導体素子１と金属板３との間に、接合部材２を配置し、接合部材２を介してパワー半導体素子１と金属板３とを接合している。
熱による膨張が起こる場合、金属板３とパワー半導体素子１との線膨張係数の差により、パワー半導体素子１にひずみが生じ破損してしまうことを防止する為には、金属板３とパワー半導体素子１とを接続している接合部材２の厚みを厚くする必要があるが、厚くする接合部材２として用いられる例えば半田は、熱伝導率、導電率ともに金属板３のそれよりも低いため、厚くするほど放熱性、電気抵抗ともに悪化してしまう。
そこで、図１７に示すような、パワー半導体素子１と金属板３との間の接合部４内に、接合部材２と金属製の細線を編んで形成した網状金属体８とを配置し、網状金属体８に、金属板３とパワー半導体素子１とを接合するための接合部材２を浸含させながら接合させる方法がある（特許文献１、２参照）。
図１７に示すように、接合部材２が浸含された網状金属体８を含む接合部４を介して、パワー半導体素子１と金属板３とが接合される。網状金属体８は、厚みが厚い接合部材２の、その厚さの均一に保つためのスペーサの役割を果たすことができる。加えて網状金属体８は、パワー半導体素子１と金属板３との間を結ぶよう構成されているため、パワー半導体素子１に発生した熱および電流を効果的に金属板３にバイパスさせ、接合部材２の厚みを厚くしても熱伝導率、導電率ともに高い状態に保つ事が可能となる。
なお網状金属体８は、その網状の構造を成す微細な隙間に発生する毛細管の効果により、溶融した接合部材２を均一に行き渡らせることを促進することができる。
図１７に示すように網状金属体８は、パワー半導体素子１と金属板３との間を蛇行する断面形状となっており、網状金属体８による線膨張をこの蛇行形状が緩和し、パワー半導体素子１と金属板３との間の接合部４の見かけ上の線膨張係数を低下させる働きがある。通常、パワー半導体素子１よりも金属板３の方が線膨張係数が高いが、網状金属体８に用いる金属を、金属板３に用いるものと同じものにした場合でも、前述の蛇行形状による効果により線膨張係数が緩和され、熱膨張によりパワー半導体素子１において生じるひずみを低減させる事が可能となる。
しかし、さらに大きな電流を制御するため接合部４の厚みを厚くした場合に、その放熱性等が悪化させない半導体装置が必要となる。以下に説明する実施の形態は、このような問題を解決するものである。
＜Ａ．実施の形態１＞
＜Ａ−１．構成＞
まず図１に示すように、平面視におけるパワー半導体素子１の大きさに対して、網状金属体８を大きく構成して備えた半導体装置を構成することも可能である。この場合、横方向の放熱経路が広くなるため、熱抵抗が小さくなる。
また図２に示すように、同一の接合部４に複数のパワー半導体素子１を搭載した、すなわち接合部４が複数のパワー半導体素子１の下面に共通に配設されるように、半導体装置を構成することも可能である。複数のパワー半導体素子１と金属板３とを接合させる場合、接合部４を一つだけ設置すればよいので、各パワー半導体素子１に接合部４を設置する場合に比べて組立て性が向上する。
また図３に示すように、接合部４内の網状金属体８の交差する少なくとも一方の金属線を、平面上方から見て渦巻状に編みこんで備えることも可能である。この場合、網状金属体８の成形が容易であり、かつ熱抵抗、電気抵抗の上昇を抑制し、また熱応力を緩和することができる。
図４は、図１〜３のように構成された金属板３、接合部４、パワー半導体素子１を備える構成に加えて、そのパワー半導体素子１表面（上面）にも網状金属体８を含む（埋設する）接合部４を配置し、さらに上方から金属板５で挟み接合させた半導体装置である。ここで、金属板５は、金属板３と略平行に配置される。
パワー半導体素子１上面の電極接合を、裏面と同じように、例えば銅板のような板状の金属（電極板）で接合している場合、その接合箇所に網状金属体８を設置することで、パワー半導体素子１上面および下面における熱抵抗、電気抵抗の上昇を抑制し効率的に放熱し、パワー半導体素子１表面にかかる熱応力を緩和することができる。
図５は、パワー半導体素子１上面に接合部４を配置した状態で複数並べ、各パワー半導体素子１上面に各々配置された接合部４を共通の金属板５で挟み接合させたものである。このとき、各パワー半導体素子１の厚みが異なる場合、それに伴いパワー半導体素子１上面の高さが異なってしまうため、金属板５に段差を設ける等の加工が必要となる場合がある。そこで、接合部４の厚みを各パワー半導体素子１の厚みに応じて調整することで、パワー半導体素子１上面の高さをそろえることができ、金属板５に段差を設ける等の加工が不要となる。
ここで、接合部材２としては例えば半田が考えられるが、半田の代わりに銀エポキシなどの導電性接着剤を選択することも可能である。この場合、半田による接合と比較して電気抵抗、熱抵抗が小さくなり、より熱応力を緩和することができる。
なお、予め接合部材２を網状金属体８に浸漬させておくこともできる。この場合、パワー半導体素子１、接合部４、金属板３を接合する際に、接合部材２を浸含させる手間がなくなり、接合が容易になり組立性がよくなる。
また、網状金属体８にモリブデン等のパワー半導体素子１の線膨張係数に略等しい、すなわち線膨張係数が小さい金属を用いることで、より熱応力を緩和することができる。
＜Ａ−２．効果＞
本発明にかかる実施の形態１によれば、半導体装置において、半導体素子であるパワー半導体素子１と、パワー半導体素子１の上面および下面を接合する接合部４と、接合部４を介してパワー半導体素子１に上下から接合される金属板３、５とを備え、接合部４は、パワー半導体素子１と金属板３、５との間に配置された網状金属体８と、網状金属体８を埋設する接合部材２とを備えることで、パワー半導体素子１上面および下面における熱抵抗、電気抵抗の上昇を抑制し効率的に放熱し、またパワー半導体素子１表面にかかる熱応力を緩和することができる。
また、本発明にかかる実施の形態１によれば、半導体装置において、パワー半導体素子１は、複数備えられ、接合部４は、各パワー半導体素子１の上面および下面を接合し、金属板３、５は、接合部４を介して複数のパワー半導体素子１に共通して上下から接合されることで、金属板５に段差を設ける等の加工が不要となり、組立て性が向上する。
また、本発明にかかる実施の形態１によれば、半導体装置において、接合部４は、複数のパワー半導体素子１の下面に共通に配設されることで、接合部４を共通に設置するだけでよいので、各パワー半導体素子１に接合部４を設置する場合に比べて組立て性の向上、小型化、低コスト化が可能となる。
また、本発明にかかる実施の形態１によれば、半導体装置において、網状金属体８の線膨張係数は、パワー半導体素子１の線膨張係数に略等しいことで、より熱応力を緩和できる。
また、本発明にかかる実施の形態１によれば、半導体装置において、網状金属体８は、平面視において渦巻状に編みこまれた金属線を備えることで、網状金属体８の成形が容易となり、かつ熱抵抗、電気抵抗の上昇を抑制し、また熱応力を緩和することができる。
また、本発明にかかる実施の形態１によれば、半導体装置において、網状金属体８は、平面視においてパワー半導体素子１よりも面積が大きいことで、横方向の放熱経路が広くなるため、熱抵抗が小さくなり効率的に放熱することができる。
また、本発明にかかる実施の形態１によれば、半導体装置において、接合部材２は、導電性接着剤であることで、電気抵抗、熱抵抗が小さくなり、より熱応力を緩和することができる。
＜Ｂ．実施の形態２＞
＜Ｂ−１．構成＞
図６は、実施の形態１において示した半導体装置における網状金属体８に、柱状金属７の端部を接合させたものである。すなわち柱状金属７は、網状金属体８とパワー半導体素子１との間に介在し、網状金属体８とパワー半導体素子１とを接合する。なお、図６においては図示を省略しているが、柱状金属７は、網状金属体８とともに接合部材２に埋設されている。
このような構成により、接合箇所の厚みを増すことができるため、さらに熱応力を緩和することができる。また、柱状金属７を接合させているため、接合箇所の厚みが増しても電気抵抗の悪化を抑えることができる。
図７は、網状金属体８を柱状金属７の両端部に接合させたものである。図６に示した場合に比べ、さらに接合箇所の厚みを増すことができるため、さらに熱応力を緩和することができる。
＜Ｂ−２．効果＞
本発明にかかる実施の形態２によれば、半導体装置において、接合部４は、接合部材２に埋設され一端が網状金属体８に接合された柱状金属７をさらに備えることで、接合箇所の厚みを増すことで熱応力を緩和し、また、柱状金属７を接合させて厚さを増大させているため、電気抵抗の悪化を抑制することができる。
また、本発明にかかる実施の形態２によれば、半導体装置において、接合部４は、接合部材２に埋設されかつ柱状金属７の他端と接合された他の網状金属体８をさらに備えることで、さらに接合箇所の厚みを増大させ、熱応力を緩和することができる。
＜Ｃ．実施の形態３＞
＜Ｃ−１．構成＞
図８に示す半導体装置における網状金属体８は、網状金属体８の縦横に交差する第１、第２金属線（金属細線）の本数を変え、一方の金属線を図に示すように重ねたものである。このような構造により接合箇所の厚みを増やした場合には、熱応力を緩和しつつ、電流経路、放熱経路が実施の形態１、２に示した場合とほとんど変わらないため、電気抵抗、熱抵抗の上昇を抑えることが可能である。
図９に示すのは、網状金属体８を上下にプレスし、その隙間を狭くしたものである。網状金属体８に浸漬する接合部材２（図示せず）の量が少なくなるため、電気抵抗、熱抵抗を小さくすることができる。なお、図９、図１０においては図８に示したような網状金属体８が重なった場合を示しているが、網状金属体８の本数を変えない実施の形態１のような場合でも、プレスにより隙間を狭くすることにより、同様に効果がある。
図１０は、網状金属体８と金属板３とをプレスし、一体化させたものである。網状金属体８と金属板３との間の隙間が狭くなるため、その分接合部材２（図示せず）の量が少なくなり、結果としてパワー半導体素子１と金属板３との間の電気抵抗、熱抵抗を小さくすることができる。
図１１は、網状金属体８と金属板５とをプレスし、一体化させたものである（実施の形態１参照）。網状金属体８と金属板５との間の隙間が狭くなるため、その分接合部材２（図示せず）の量が少なくなり、パワー半導体素子１と金属板５との間の電気抵抗、熱抵抗を小さくすることができる。
図１２は、半導体装置における網状金属体８の四方を曲げたものである。図８に示すように、厚みを得るために網状金属体８を重ね、浸漬させる接合部材２の量を増やした場合でも、接合部材２が接合部４周辺から流れてしまうのを防ぐことができる。
図１２のように四方を曲げる代わりに、板状あるいは網状金属体を、網状金属体８の周囲に新たに接続させることも可能である（図示せず）。このようにすることで、接合部材２が流れてしまうのを防ぐことができる。
＜Ｃ−２．効果＞
本発明にかかる実施の形態３によれば、半導体装置において、網状金属体８は、互いに交差する第１、第２金属線を備え、第１、第２金属線の一方が、網状金属体８の厚み方向に重ねられることで、接合箇所の厚みを増大させ熱応力を緩和し、かつ電気抵抗、熱抵抗の上昇を抑制することができる。
また、本発明にかかる実施の形態３によれば、半導体装置において、網状金属体８は、厚み方向に圧縮されることで、網状金属体８に浸漬する接合部材２の量が少なくなるため、電気抵抗、熱抵抗を小さくすることができる。
また、本発明にかかる実施の形態３によれば、半導体装置において、網状金属体８は、その周囲が折り曲げられることで、厚みを得るために網状金属体８を重ね、浸漬させる接合部材２の量を増やした場合でも、接合部材２が接合部４周辺から流れてしまうのを防ぐことができる。
また、本発明にかかる実施の形態３によれば、半導体装置において、網状金属体８は、その周囲に接続された板状金属をさらに備えることで、厚みを得るために網状金属体８を重ね、浸漬させる接合部材２の量を増やした場合でも、接合部材２が接合部４周辺から流れてしまうのを防ぐことができる。
また、本発明にかかる実施の形態３によれば、半導体装置において、網状金属体８が、金属板３、５と一体化したことで、網状金属体８と金属板３、５との隙間が狭くなるため、パワー半導体素子１と金属板３、５との間の電気抵抗、熱抵抗を小さくすることができる。
＜Ｄ．実施の形態４＞
＜Ｄ−１．構成＞
図１３に示す半導体装置における網状金属体は、平面視において網状金属体の一部を打ち抜いた構造（網状金属体９）を持つものである。網状金属体９は、その微細な隙間に発生する毛細管の効果により接合部材２が均一に広がりやすくはなるが、半導体装置において、図１３に示すような打ち抜き箇所（欠如領域）を設けた網状金属体９を備えることにより、さらに接合部材２が均一に広がりやすくなる。
また、図１４に示すような打ち抜き箇所（欠如領域）を設けた網状金属体９０を備えてもよい。すなわち、パワー半導体素子１の外周部に対応する領域を除いて欠如領域を備えてもよい。このような網状金属体９０を備えることにより、最も熱応力が大きいパワー半導体素子１外周部の熱応力緩和を可能にし、かつ打ち抜き箇所分の材料費抑制、及び軽量化することができる。
実施の形態１の図２に示すように、同一の接合部４に複数のパワー半導体素子１を搭載するような場合、図１５に示すように、複数のパワー半導体素子１搭載間の網状金属体を打ち抜いた構造の網状金属体１０を備えることができる。打ち抜き箇所分の材料費を抑え、かつ軽量化することができる。また、各パワー半導体素子１間の接合部材２同士が接触することを抑制することができる。
＜Ｄ−２．効果＞
本発明にかかる実施の形態４によれば、半導体装置において、網状金属体９、１０、９０は、平面視において網目が欠如した欠如領域を有することで、より接合部材２が均一に広がりやすくなる。
また、本発明にかかる実施の形態４によれば、半導体装置において、網状金属体９０は、パワー半導体素子１の外周部に対応する領域を除いて欠如領域を有することで、最も熱応力の大きいパワー半導体素子１外周部の熱応力緩和を可能とし、かつ打ち抜き箇所分の材料費抑制、軽量化、作製の容易化を可能とする。
また、本発明にかかる実施の形態４によれば、半導体装置において、網状金属体１０は、複数のパワー半導体素子１の間に欠如領域を有することで、打ち抜き箇所分の材料費を抑え、かつ軽量化できる。また、各パワー半導体素子１間の接合部材２同士が接触することを抑制することができる。
１ パワー半導体素子、２ 接合部材、３，５ 金属板、４ 接合部、７ 柱状金属、８，９，１０，９０ 網状金属体。

Claims (15)

  1. 半導体素子と、
    前記半導体素子の上面および下面を接合する接合部と、
    前記接合部を介して前記半導体素子に上下から接合される金属板とを備え、
    前記接合部は、
    前記半導体素子と前記金属板との間に配置された網状金属体と、
    前記網状金属体を埋設する接合部材とを備え、
    前記半導体素子は、複数備えられ、
    前記接合部は、各前記半導体素子の上面および下面を接合し、
    前記金属板は、前記接合部を介して前記複数の半導体素子に共通して前記上下から接合され、
    前記接合部は、前記接合部材に埋設され一端が前記網状金属体に接合された柱状金属をさらに備える、
    半導体装置。
  2. 前記接合部は、前記接合部材に埋設されかつ前記柱状金属の他端と接合された他の網状金属体をさらに備える、
    請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記網状金属体は、互いに交差する第１、第２金属線を備え、前記第１、第２金属線の一方が、前記網状金属体の厚み方向に重ねられる、
    請求項１に記載の半導体装置。
  4. 前記網状金属体は、平面視において網目が欠如した欠如領域を有する、
    請求項１または２に記載の半導体装置。
  5. 前記網状金属体は、前記半導体素子の外周部に対応する領域を除いて前記欠如領域を有する、
    請求項４に記載の半導体装置。
  6. 前記接合部は、複数の前記半導体素子の下面に共通に配設される、
    請求項５に記載の半導体装置。
  7. 前記網状金属体は、前記複数の半導体素子の間に前記欠如領域を有する、
    請求項６に記載の半導体装置。
  8. 前記網状金属体は、厚み方向に圧縮される、
    請求項１〜７のいずれかに記載の半導体装置。
  9. 前記網状金属体の線膨張係数は、前記半導体素子の線膨張係数に等しい、
    請求項１〜８のいずれかに記載の半導体装置。
  10. 前記網状金属体は、その周囲が折り曲げられる、
    請求項１〜９のいずれかに記載の半導体装置。
  11. 前記網状金属体は、その周囲に接続された板状金属をさらに備える、
    請求項１〜９のいずれかに記載の半導体装置。
  12. 前記網状金属体は、平面視において渦巻状に編みこまれた金属線を備える、
    請求項１〜１１のいずれかに記載の半導体装置。
  13. 前記網状金属体は、平面視において前記半導体素子よりも面積が大きい、
    請求項１〜１２のいずれかに記載の半導体装置。
  14. 前記網状金属体が、前記金属板と一体化した、
    請求項１〜１３のいずれかに記載の半導体装置。
  15. 前記接合部材は、導電性接着剤である、
    請求項１〜１４のいずれかに記載の半導体装置。
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