JP6617655B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、例えばパワーエレクトロニクス機器に使用される半導体装置に関する。
特許文献１には、半導体素子からの発熱を拡散するために、熱拡散板の上に半導体素子を配置した構造が開示されている。半導体素子は熱拡散板に接合材で固定されている。また、半導体素子と熱拡散板は封止樹脂で封止されている。熱拡散板の半導体素子が搭載された領域の外周部には溝が形成されている。溝によって半導体素子と封止樹脂との界面に発生する熱応力が低減できる。
特開２０１４−２１６４５９号公報
特許文献１に示される半導体装置では、はんだなどの接合材が溝の端部まで濡れ広がる。ここで、接合材は封止樹脂との接着性が低い。このため、封止樹脂は接合材から剥離し易い。封止樹脂の剥離を防止するために、特許文献１では、溝を半導体素子の近傍に配置している。これにより、濡れ広がった接合材と封止樹脂の接触面積が小さくなり、封止樹脂の剥離が防止される。ここで、半導体素子の近傍に溝を配置すると、溝によって半導体素子からの熱拡散が妨げられる可能性がある。一方で、熱拡散への影響を低減するように溝を浅くすると、封止樹脂に加わる熱応力が十分に低減できない。
本発明は、上述の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、半導体素子からの熱拡散を妨げず、封止樹脂に加わる熱応力の低減が可能な半導体装置を得ることである。
本発明に係る半導体装置は、ヒートスプレッダと、該ヒートスプレッダの実装面に接合材で固定された半導体素子と、該ヒートスプレッダと該半導体素子を覆う封止樹脂と、を備え、該実装面には該半導体素子の周囲に溝が形成され、該半導体素子と該溝の間の長さは、該溝の深さ以上であり、該実装面の該半導体素子と該溝の間の領域の少なくとも一部は、該接合材が濡れ広がっておらず、該実装面の該半導体素子と該溝の間に設けられたソルダーレジストを備える。

本発明に係る半導体装置では、半導体素子と溝の間の長さは溝の深さ以上である。このため、溝によって熱拡散が妨げられることを防止できる。また、実装面の半導体素子と溝の間の領域において、接合材が濡れ広がる領域は限定される。このため、接合材と封止樹脂の接触面積が制限され、封止樹脂の剥離を抑制できる。従って、半導体素子と溝の間の長さを大きくすることができる。このため、半導体素子の熱拡散を制限せずに溝を深くすることができる。従って、半導体素子の熱拡散を制限せずに熱応力を十分に低減することが可能になる。
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１に係る半導体装置の断面図である。 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１に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態１の変形例に係る半導体装置の断面図である。
本発明の実施の形態に係る半導体装置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に係る半導体装置の断面図である。本実施の形態に係る半導体装置１００は、金属ベース１０を備える。金属ベース１０の上には絶縁シート１２が設けられる。絶縁シート１２は、樹脂で形成される。絶縁シート１２の上には、金属パターン１４が設けられる。金属ベース１０、絶縁シート１２および金属パターン１４はベース板１６を構成する。金属ベース１０と金属パターン１４は、絶縁シート１２によって絶縁されている。
絶縁シート１２上にはケース１８が設けられる。ケース１８は、金属パターン１４を取り囲むように、絶縁シート１２の外周部に配置される。ケース１８の上には端子２０が設けられる。金属パターン１４の上には、はんだ２２によってヒートスプレッダ２４が固定されている。ヒートスプレッダ２４は、ＭｏまたはＣｕを材料とする。ヒートスプレッダ２４の実装面２３には、接合材２６によって半導体素子２８が固定されている。半導体素子２８は、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である。ヒートスプレッダ２４は、半導体素子２８を効率よく放熱させるために設けられている。本実施の形態において、接合材２６ははんだである。
半導体素子２８と金属パターン１４はワイヤ３０によって接続されている。また、金属パターン１４と端子２０はワイヤ３０によって接続されている。ケース１８で囲まれた領域は、封止樹脂３２で封止される。従って、ヒートスプレッダ２４と半導体素子２８は封止樹脂３２で覆われる。本実施の形態では、封止樹脂３２はエポキシ樹脂である。
図２は、実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。図２は、図１のヒートスプレッダ２４周辺の拡大図である。ヒートスプレッダ２４の実装面２３には、半導体素子２８の周囲に溝３４が形成されている。溝３４は、半導体素子２８を取り囲むように形成されている。封止樹脂３２は、溝３４を埋め込むように設けられている。
図３は、実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。図３は、図２の溝３４付近の拡大図である。半導体装置１００は、実装面２３の半導体素子２８と溝３４の間の領域２５に、ソルダーレジスト２３６を備える。このため、接合材２６はソルダーレジスト２３６よりも溝３４側には濡れ広がらない。従って、本実施の形態では、実装面２３のソルダーレジスト２３６と溝３４との間の領域には、接合材２６が濡れ広がっていない。
図４は、実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。本実施の形態では、半導体素子２８と溝３４の間の長さＡは、溝３４の深さＬ以上である。ここで、長さＡは、溝３４に隣接する半導体素子２８の端部から半導体素子２８に隣接する溝３４の端部までの実装面２３上の距離である。また、長さＡは領域２５の幅である。このとき、実装面２３に対してヒートスプレッダ２４の底面に向かって４５度傾いた仮想線３５よりも下には、溝３４は形成されない。
一般に、半導体素子を封止樹脂で封止した場合、半導体素子と封止樹脂の線膨張係数の違いから、熱ストレスによって封止樹脂に熱応力が加わる。熱応力によって、封止樹脂は半導体素子から剥離する可能性がある。また、封止樹脂にクラックが発生する可能性がある。本実施の形態では、ヒートスプレッダ２４に溝３４を設けている。溝３４には封止樹脂３２が充填されている。このため、溝３４に充填された封止樹脂３２がアンカーとして働き、封止樹脂３２とヒートスプレッダ２４を密着させることができる。
封止樹脂３２とヒートスプレッダ２４が密着すると、半導体素子２８と封止樹脂３２も密着する。このため、半導体素子２８との接触部分において、封止樹脂３２に働く熱応力を緩和できる。特に、溝３４に隣接する半導体素子２８の端部付近で発生する熱応力が緩和され易い。従って、封止樹脂３２の半導体素子２８からの剥離を防止できる。また、封止樹脂３２にクラックが発生することを抑制できる。
また、封止樹脂３２とヒートスプレッダ２４が密着することで、半導体素子２８と接合材２６との接合部および接合材２６とヒートスプレッダ２４との接合部において熱応力が緩和される。従って、接合材２６に発生するクラックを抑制できる。
ここで、ヒートスプレッダに溝を設けると、半導体素子の熱拡散が妨げられる場合がある。特に、定格電流値が１００Ａ以上の半導体装置では、発熱量が大きい。このため、溝による熱拡散の制限が問題となる可能性がある。これに対し、本実施の形態では半導体素子２８と溝３４の間の長さＡは、溝３４の深さＬ以上である。つまり、本実施の形態では半導体素子２８の直下から４５度未満の範囲に溝３４が無い。この構造では、半導体素子２８からヒートスプレッダ２４への熱拡散が溝３４によって妨げられることを防止できる。
また、半導体素子をはんだでヒートスプレッダに接合する場合、はんだが半導体素子と溝の間の領域に濡れ広がることが考えられる。この時、半導体素子と溝の間の領域で、はんだと封止樹脂が接触する。一般に、はんだと封止樹脂は接着力が弱い。従って、はんだと封止樹脂の接触部分では、封止樹脂の剥離が発生し易い。封止樹脂の剥離を防止する方法として、封止樹脂とはんだの接触面積を小さくする事が考えられる。この方法として、半導体素子と溝の間の距離を短くすることが考えられる。
ここで、上述したように、溝３４による熱拡散の制限を防止するには、半導体素子２８と溝３４の間の長さＡと溝３４の深さＬは、Ａ≧Ｌを満たす必要がある。このため、溝３４による熱拡散の制限を防止しつつ、半導体素子２８と溝３４の間の距離を短くするには、溝３４を浅くする必要が生じる。ここで、溝３４が深いほうが封止樹脂３２に加わる熱応力の緩和の効果が高い。従って、溝３４を浅くすると、十分に熱応力が緩和できない場合がある。
これに対し本実施の形態では、実装面２３の半導体素子２８と溝３４の間の領域２５に、ソルダーレジスト２３６を備える。このため、領域２５の少なくとも一部は、接合材２６が濡れ広がっていない領域となる。接合材２６が濡れ広がる領域は、ソルダーレジスト２３６と半導体素子２８の間の領域のみに限定される。従って、領域２５全域に接合材２６が濡れ広がる場合と比較して、封止樹脂３２と接合材２６の接触面積を小さくできる。従って、半導体素子２８と溝３４の間の長さＡが大きくても封止樹脂３２が接合材２６から剥離することを抑制できる。
以上から、本実施の形態では、封止樹脂３２が接合材２６から剥離することを抑制しつつ、半導体素子２８と溝３４の間の長さＡを大きくすることができる。長さＡを大きく設定することで、半導体素子２８からの熱拡散を妨げずに溝３４を深く設けることができる。溝３４を深く設けることで、封止樹脂３２に加わる熱応力を十分に緩和できる。従って、封止樹脂３２の剥離および封止樹脂３２へのクラックの発生を抑制することができる。
以上から、本実施の形態に係る半導体装置１００では、半導体素子２８からの熱拡散を妨げずに、封止樹脂３２に加わる熱応力を十分に低減できる。従って、信頼性の高い半導体装置１００を得ることができる。ここで、十分な熱応力の低減の効果を得るためには、溝３４の深さＬが０．３ｍｍ以上であることが必要である。従って、本実施の形態では長さＡを０．３ｍｍ以上とする。また、半導体素子２８と溝３４の間の長さＡが小さいと、半導体素子２８の実装時の位置合わせが困難となる。半導体素子２８の実装時の位置合わせの精度を考慮して、長さＡは０．３ｍｍ以上であることが望ましい。
本実施の形態の変形例として、接合材２６ははんだ以外でも良い。例えば、接合材２６は銀ペーストなどの銀を含むものとしても良い。この場合、半導体素子２８はヒートスプレッダ２４にＡｇ接合によって固定される。接合材２６が銀ペーストの場合、はんだに比べて接合材２６の濡れ性が低くなる。従って、領域２５において接合材２６が濡れ広がる範囲は、はんだを使用する場合に比べて小さくなる。従って、ソルダーレジスト２３６を設けずに、接合材２６と封止樹脂３２の接触面積を小さくすることができる。
本実施の形態では、ソルダーレジスト２３６を用いて接合材２６が濡れ広がる範囲を領域２５の一部に限定した。これに対し、半導体素子２８をヒートスプレッダ２４に接合した後に、領域２５に濡れ広がった接合材２６を除去しても良い。この場合、ソルダーレジスト２３６を設けずに、領域２５の接合材２６に覆われる領域を小さくできる。
また、図３では領域２５において、半導体素子２８との間に隙間を設けてソルダーレジスト２３６を配置している。この場合、ソルダーレジスト２３６と半導体素子２８の間の領域が、接合材２６が濡れ広がる領域となる。これに対し、ソルダーレジスト２３６を半導体素子２８と接するように設けても良い。この場合、接合材２６は、半導体素子２８の下部のみに配置されることとなる。従って、領域２５の全域が接合材２６の濡れ広がらない領域となる。
また、本実施の形態では溝３４は、半導体素子２８を取り囲むように形成されるものとした。これに対し、溝３４は半導体素子２８の両側に１つずつ配置されても良い。また、半導体素子２８を取り囲むように溝３４が二重に形成されても良い。また、本実施の形態では、溝３４は幅が一定である。さらに、溝３４の底部は平坦であり、ヒートスプレッダ２４の底面と平行である。ここで、溝３４の形状はこれ以外でも良い。例えば、溝３４の断面形状はＵ字型またはＶ字型であっても良い。
図５は、実施の形態１の変形例に係る半導体装置の断面図である。変形例に係る半導体装置３００は、溝３３４を備える。溝３３４は、実装面２３に近づくほど幅が狭まる。溝３３４には封止樹脂３２が充填される。
溝３３４に充填された封止樹脂３２がアンカーとなるため、封止樹脂３２はヒートスプレッダ２４に密着する。ここで、溝３３４は実装面２３に近づくほど幅が狭まるたこつぼ型である。このため、溝３４の幅が一定の場合と比較して、溝３３４において封止樹脂３２とヒートスプレッダ２４とが強く接着する。従って、半導体装置１００と比較して、封止樹脂３２がヒートスプレッダ２４に強く固定される。このため、半導体装置１００と比較して、封止樹脂３２に加わる熱応力をさらに抑制することができる。
また、半導体素子２８は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されていても良い。ワイドバンドギャップ半導体として、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドが使用できる。ワイドギャップ半導体を用いた半導体装置は、高温条件での動作が求められることがある。ここで、本実施の形態に係る半導体装置１００は、半導体素子２８からの熱拡散を溝３４によって制限しないことが可能である。また、溝３４を深く設けて、熱応力を十分に低減することが可能である。従って、半導体素子２８を高温条件で動作させることができる。なお、本実施の形態で説明した技術的特徴は適宜に組み合わせて用いてもよい。
１００、３００ 半導体装置、２４ ヒートスプレッダ、２３ 実装面、２６ 接合材、２８ 半導体素子、３２ 封止樹脂、３４ 溝、２３６ ソルダーレジスト

Claims (6)

  1. ヒートスプレッダと、
    前記ヒートスプレッダの実装面に接合材で固定された半導体素子と、
    前記ヒートスプレッダと前記半導体素子を覆う封止樹脂と、
    を備え、
    前記実装面には前記半導体素子の周囲に溝が形成され、
    前記半導体素子と前記溝の間の長さは、前記溝の深さ以上であり、
    前記実装面の前記半導体素子と前記溝の間の領域の少なくとも一部は、前記接合材が濡れ広がっておらず、
    前記実装面の前記半導体素子と前記溝の間に設けられたソルダーレジストを備えることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記接合材は銀を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記半導体素子と前記溝の間の長さは０．３ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
  4. 前記溝は前記実装面に近づくほど幅が狭ま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１〜４の何れか１項に記載の半導体装置。
  6. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドであることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
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