JP6638620B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

この明細書における開示は、発熱素子が形成された半導体チップの電極と放熱部材とがはんだを介して接合されてなる半導体装置に関する。

特許文献１には、発熱素子が形成された半導体チップの電極と、放熱部材（放熱ブロック）とが、はんだを介して接合されてなる半導体装置が開示されている。電極（めっき電極）は、保護膜の開口部を介して外部に露出されており、はんだを介して放熱部材に接合されている。

特開２００８−２４４０４５号公報

このような半導体装置では、電極に対して放熱部材の位置が偏ると、部分的にはんだ側面の傾きが急峻となる。このように、はんだ側面が急峻になると、実使用時の冷熱サイクルによる熱応力が保護膜の開口端（内側面）と電極との境界部分に集中し、この境界部分を起点として下方にクラックが生じる虞がある。たとえば、はんだと電極とのなす角度が略９０度又は鈍角になると、上記問題が生じる虞がある。

上記問題を解決するために、枠状治具の枠内に放熱部材を配置させることで、放熱部材を電極に対して位置決めすることが考えられる。しかしながら、枠状部材と放熱部材との間には、部材の熱収縮を吸収するためのクリアランスが必要となる。したがって、クリアランスを確保するために、ひとまわり小さい放熱部材を用いなければならず、放熱性が低下してしまう。

本開示はこのような課題に鑑みてなされたものであり、放熱性の低下を抑制しつつ、熱応力によるクラック発生を抑制できる半導体装置を提供することを目的とする。

本開示は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、技術的範囲を限定するものではない。

本開示のひとつである半導体装置は、発熱素子が形成された半導体基板（１２０）、半導体基板の一面側に配置され、開口部（１２４ａ）を有する保護膜（１２４）、及び発熱素子と電気的に接続され、開口部を介して外部に露出された電極（１２６）を有する半導体チップ（１２）と、
電極に対して対向配置され、はんだ（３０）を介して電極に接合された放熱部材（１８）と、
を備え、
電極は、はんだの不濡れ部分として、当該電極の中心を取り囲むように外周端に形成された複数の切り欠き（１２６ｃ）を有し、
半導体基板において、切り欠きの直下部分及び当該直下部分の周辺部分を含む第１領域（１２０ｃ）が、電極の直下部分であって第１領域とは別の領域であり、発熱素子の形成領域である第２領域（１２０ａ）よりも、発熱の小さな領域とされている。

この半導体装置において、電極に設けた複数の切り欠きは、はんだの不濡れ部分である。したがって、はんだ付けの際に、はんだの表面張力によるセルフアラインで、放熱部材が位置決めされる。これにより、切り欠きの周辺を除く部分において、はんだ側面が緩やかな形状になる。枠状部材を用いないため、クリアランス確保のために放熱部材を小さくしなくてもよい。よって、放熱性の低下を抑制しつつ、熱応力によるクラック発生を抑制することができる。

なお、切り欠きを設けることで、切り欠き周辺において、はんだ側面が急峻となる。しかしながら、切り欠きの直下部分及び周辺部分を含む第１領域は、発熱素子の形成領域である第２領域に較べて発熱の小さな領域となっている。したがって、切り欠き周辺についても、熱応力によるクラック発生を抑制することができる。

以上により、放熱性の低下を抑制しつつ、熱応力によるクラック発生を抑制することができる。

本開示の他のひとつである半導体装置は、発熱素子が形成された半導体基板（１２０）、半導体基板の一面側に配置され、開口部（１２４ａ）を有する保護膜（１２４）、及び発熱素子と電気的に接続され、開口部を介して外部に露出された電極（１２６）を有する半導体チップ（１２）と、
電極に対して対向配置され、はんだ（３０）を介して電極に接合された放熱部材（１８）と、
を備え、
電極は、はんだの不濡れ部分として、半導体基板の板厚方向に直交する第１方向の両端と、板厚方向及び第１方向の両方向に直交する第２方向の両端と、にそれぞれ形成された切り欠き（１２６ｃ）を有し、
半導体基板において、切り欠きの直下部分及び当該直下部分の周辺部分を含む第１領域（１２０ｃ）が、電極の直下部分であって第１領域とは別の領域であり、発熱素子の形成領域である第２領域（１２０ａ）よりも、発熱の小さな領域とされている。

この半導体装置によっても、上記した別の半導体装置同様の効果を奏することができる。

第１実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図である。 図１のII-II線に沿う断面図である。 半導体チップの概略構成を示す平面図である。 図３のIV-IV線に対応する半導体チップとターミナルとの接続構造を示す断面図である。 図３のV-V線に対応する半導体チップとターミナルとの接続構造を示す断面図である。 図３の領域VIを拡大した図である。 第２実施形態に係る半導体装置において、半導体チップの概略構成を示す平面図であり、図３に対応している。 第１変形例を示す平面図であり、図３に対応している。 第３実施形態に係る半導体装置の、切り欠きが形成されていない部分における、半導体チップとターミナルとの接続構造を示す断面図である。 切り欠きが形成された部分における、半導体チップとターミナルとの接続構造を示す断面図である。 第２変形例を示す平面図であり、図６に対応している。

図面を参照しながら、複数の実施形態を説明する。複数の実施形態において、機能的に及び／又は構造的に対応する部分には同一の参照符号を付与する。以下において、半導体基板の板厚方向をＺ方向と示す。Ｚ方向に直交し、且つ、複数のパッドの並び方向をＸ方向と示す。Ｚ方向及びＸ方向の両方向に直交する方向をＹ方向と示す。特に断りのない限り、ＸＹ平面に沿う形状を平面形状とする。

（第１実施形態）
図１〜図３に基づき、半導体装置の概略構成について説明する。

図１及び図２に示すように、半導体装置１０は、半導体チップ１２、封止樹脂体１４、信号端子１６、ターミナル１８、ヒートシンク２０，２２、及び主端子２４，２６を備えている。このような半導体装置１０は、三相インバータを構成する６つのアームのうちの１つを構成する所謂１ｉｎ１パッケージとして知られており、たとえば車両のインバータ回路に組み入れられる。

半導体チップ１２は、シリコン、シリコンカーバイドなどの半導体基板１２０に、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）やＭＯＳＦＥＴなどのパワートランジスタが形成されてなる。パワートランジスタが、発熱素子に相当する。半導体チップ１２は、平面略矩形状をなしている。

ＩＧＢＴは、Ｚ方向に電流が流れるように所謂縦型構造をなしている。半導体チップ１２は、Ｚ方向の一面側にエミッタ電極１２１を有し、エミッタ電極１２１とは反対の裏面側にコレクタ電極１２２を有している。コレクタ電極１２２は、裏面のほぼ全面に形成されている。

図２及び図３に示すように、半導体基板１２０の一面側には、パッド１２３も形成されている。パッド１２３は、信号用の電極である。半導体チップ１２は、２つのパッド１２３を有している。パッド１２３は、Ｙ方向において、エミッタ電極１２１の形成領域とは反対側の端部に形成されている。パッド１２３は、後述する保護膜１２４から露出されている。

詳しくは、２つのパッド１２３として、ゲート電極用、及び、エミッタ電極１２１の電位を検出するケルビンエミッタ用を有している。２つのパッド１２３は、平面略矩形状の半導体基板１２０において、Ｙ方向の一端側にまとめって形成されるとともに、Ｘ方向に並んで形成されている。

封止樹脂体１４は、たとえばエポキシ系樹脂からなる。封止樹脂体１４は、平面略矩形状をなしており、Ｚ方向に直交する一面１４ａ、一面１４ａと反対の裏面１４ｂ、及び一面１４ａと裏面１４ｂをつなぐ側面１４ｃを有している。

半導体チップ１２のパッド１２３には、ボンディングワイヤ２８を介して、信号端子１６が電気的に接続されている。信号端子１６は、図１に示すように、Ｙ方向に延設されており、封止樹脂体１４の側面１４ｃのひとつから外部に突出している。

半導体チップ１２のエミッタ電極１２１には、はんだ３０を介してターミナル１８が接合されている。ターミナル１８が放熱部材に相当し、はんだ３０が放熱部材と電極を接合するはんだに相当する。

ターミナル１８は、半導体チップ１２とヒートシンク２０の間に介在する。ターミナル１８は、半導体チップ１２とヒートシンク２０との熱伝導、電気伝導経路の途中に位置するため、熱伝導性及び電気伝導性を確保すべく、主に金属材料を用いて形成されている。本実施形態では、Ｃｕを用いて形成されている。ターミナル１８は、略角柱状、より詳しくは略四角柱状（換言すれば略直方体状）をなしている。

ターミナル１８における半導体チップ１２と反対側の面には、はんだ３２を介してヒートシンク２０が接続されている。ヒートシンク２０は、半導体チップ１２、詳しくは半導体基板１２０に形成されたパワートランジスタの熱を、半導体チップ１２の外部に放熱する放熱機能と、エミッタ電極１２１と主端子２４とを電気的に中継する機能を果たす。ヒートシンク２０は、ターミナル１８同様、熱伝導性及び電気伝導性に優れる金属材料（たとえばＣｕ）を用いて形成されている。

ヒートシンク２０におけるターミナル１８と反対の面は、封止樹脂体１４の一面１４ａから露出され、放熱面２０ａとなっている。本実施形態では、一面１４ａ及び放熱面２０ａが略面一となっている。ヒートシンク２０において、ターミナル１８との対向面、及び、該対向面と放熱面２０ａをつなぐ側面は、封止樹脂体１４によって被覆されている。

ヒートシンク２０には、主端子２４が連なっている。主端子２４は、ターミナル１８及びヒートシンク２０を介して、半導体チップ１２のエミッタ電極１２１と電気的に接続されている。主端子２４は、ヒートシンク２０から、Ｙ方向であって信号端子１６とは反対側に延設されている。主端子２４は、封止樹脂体１４の側面１４ｃのうち、信号端子１６が突出する面と反対の面から外部に突出している。主端子２４は、リードフレームの一部として、ヒートシンク２０と一体的に形成されてもよいし、ヒートシンク２０とは別部材として構成されてもよい。

半導体装置１０のコレクタ電極１２２には、はんだ３４を介してヒートシンク２２が接続されている。ヒートシンク２２は、ヒートシンク２０同様、半導体チップ１２の生じた熱を放熱する放熱機能と、コレクタ電極１２２と主端子２６とを電気的に中継する機能を果たす。ヒートシンク２２も、熱伝導性及び電気伝導性に優れる金属材料（たとえばＣｕ）を用いて形成されている。

ヒートシンク２２における半導体チップ１２と反対の面は、封止樹脂体１４の裏面１４ｂから露出され、放熱面２２ａとなっている。本実施形態では、裏面１４ｂ及び放熱面２２ａが略面一となっている。ヒートシンク２２において、半導体チップ１２との対向面、及び、該対向面と放熱面２２ａをつなぐ側面は、封止樹脂体１４によって被覆されている。

ヒートシンク２２には、主端子２６が連なっている。主端子２６は、ヒートシンク２２を介して、半導体チップ１２のコレクタ電極１２２と電気的に接続されている。主端子２６は、ヒートシンク２２から、Ｙ方向であって主端子２４と同じ側に延設されている。主端子２６は、封止樹脂体１４の側面１４ｃのうち、主端子２４と同じ面から外部に突出している。主端子２６は、リードフレームの一部として、ヒートシンク２２と一体的に形成されてもよいし、ヒートシンク２２とは別部材として構成されてもよい。主端子２４，２６は、図１に示すようにＸ方向に並んで配置されている。

このように構成される半導体装置１０では、半導体チップ１２、信号端子１６の一部、ターミナル１８、ヒートシンク２０の一部、ヒートシンク２２の一部、主端子２４の一部、主端子２６の一部、ボンディングワイヤ２８、及びはんだ３０，３２，３４が、封止樹脂体１４にて一体的に封止されている。

次に、図３〜図６に基づき、半導体チップ１２の詳細構造及びターミナル１８との接続構造について説明する。図３では、上地電極１２６の外周端１２６ａ、換言すれば保護膜１２４の開口端１２４ｂと、ターミナル１８との位置関係を明確にするために、ターミナル１８についても破線で示している。図５では、切り欠き１２６ｃが分かるように、外周端１２６ａを参考線（破線）で示している。

先ず、半導体チップ１２について説明する。図３〜図５に示すように、半導体チップ１２は、半導体基板１２０の一面側に配置された保護膜１２４をさらに有している。また、エミッタ電極１２１は、下地電極１２５及び上地電極１２６を有して構成されている。

図４及び図５に示すように、半導体基板１２０の一面上には、後述するアクティブ領域１２０ａを覆うように、下地電極１２５が形成されている。下地電極１２５は、アクティブ領域１２０ａに形成された素子（ＩＧＢＴ）と電気的に接続されている。下地電極１２５は、Ａｌ（アルミニウム）を主成分とする材料を用いて形成されている。本実施形態では、下地電極１２５が、ＡｌＳｉを材料とし、スパッタにより形成されている。下地電極１２５の厚みは、たとえば５μｍとなっている。

下地電極１２５上には、保護膜１２４が形成されている。保護膜１２４は、電気絶縁材料を用いて形成されている。本実施形態では、保護膜１２４がポリイミドからなる。このような保護膜１２４は、たとえばスピンコート法により成膜されている。保護膜１２４の厚みは、たとえば１０μｍとなっている。保護膜１２４は、下地電極１２５の表面の一部を開口させる開口部１２４ａを有している。

上地電極１２６は、はんだ３０との接合強度向上、はんだ３０に対する濡れ性向上などを目的として形成された金属薄膜である。上地電極１２６は、開口部１２４ａから臨む下地電極１２５上に形成されている。上地電極１２６は、開口部１２４ａを介して外部に露出されている。エミッタ電極１２１のうち、上地電極１２６がはんだ接合される部分である。よって、上地電極１２６は、はんだ付け用電極とも称される。上地電極１２６が、開口部を介して外部に露出された電極に相当する。

上地電極１２６は、たとえばＮｉ（ニッケル）を主成分とする材料を用いて形成されている。本実施形態では、上地電極１２６として、めっき膜を採用している。詳しくは、主成分であるＮｉに加えて、Ｐ（リン）を含む無電解Ｎｉめっき膜を採用している。上地電極１２６の厚みは、５μｍ〜１０μｍ程度となっている。上地電極１２６は、保護膜１２４をマスクとしてパターニングされ、開口部１２４ａ内に設けられている。なお、上地電極１２６として、多層構造を採用することもできる。たとえば、Ｎｉめっき膜上に、Ａｕを主成分とするめっき膜を有してもよい。また、Ｎｉめっき膜と下地電極１２５との間に、他の金属薄膜を有してもよい。

上地電極１２６の外周端１２６ａには、上地電極１２６の中心１２６ｂを取り囲むように複数の切り欠き１２６ｃが形成されている。切り欠き１２６ｃは、上地電極１２６の切り欠かれた部分（めっき膜の存在しない部分）である。よって、切り欠き１２６ｃは、はんだ３０が濡れ拡がらない不濡れ部分である。切り欠き１２６ｃは、Ｘ方向において上地電極１２６の両端に形成されるとともに、Ｙ方向において上地電極１２６の両端に形成されている。

上記したように、切り欠き１２６ｃは、はんだ３０の不濡れ部分である。よって、切り欠き１２６ｃの先端でターミナル１８の位置が決まる。切り欠き１２６ｃの形状、配置、幅、及び深さは、上地電極１２６に対してターミナル１８の位置の偏りを抑制できる範囲で、適宜選択が可能である。

本実施形態では、上地電極１２６が平面略矩形状をなしており、切り欠き１２６ｃが上地電極の４辺のそれぞれに形成されている。より詳しくは、切り欠き１２６ｃが、各辺の中央付近に１つずつ形成されており、上地電極１２６は４つの切り欠き１２６ｃを有している。また、切り欠き１２６ｃが平面略矩形状をなしており、４つの切り欠き１２６ｃの幅及び深さが、互いに等しくなっている。そして、Ｘ方向に平行な２辺に形成された切り欠き１２６ｃの先端間の中央位置が、上地電極１２６の中心１２６ｂと略一致する。同じく、Ｙ方向に平行な２辺に形成された切り欠き１２６ｃの先端間の中央位置が、上地電極１２６の中心１２６ｂと略一致する。

また、上地電極１２６は、図４及び図５に示すように、保護膜１２４の開口部１２４ａ内に配置されている。換言すれば、開口部１２４ａを所定深さまで埋めるように配置されている。したがって、保護膜１２４の開口端１２４ｂに、上地電極１２６の外周端１２６ａが沿っている。図３では、便宜上、上地電極１２６の外周端１２６ａと保護膜１２４の開口端１２４ｂを一致させて図示している。保護膜１２４は、開口端１２４ｂにおける切り欠き１２６ｃに対応する位置に、開口部１２４ａの中心側に向けて突出する凸部１２４ｃを有している。開口端１２４ｂは平面略矩形状をなしており、４辺のそれぞれに凸部１２４ｃが形成されている。

図６は、図３の領域VIを拡大した図である。図６に示すように、半導体基板１２０は、発熱素子であるＩＧＢＴが形成された領域であるアクティブ領域１２０ａと、素子の形成されていない領域である非アクティブ領域１２０ｂを有している。図６に示す一点鎖線が、アクティブ領域１２０ａと非アクティブ領域１２０ｂの境界、すなわちアクティブ領域１２０ａの外周端を示している。アクティブ領域１２０ａが、発熱素子の形成領域である第２領域に相当する。半導体基板１２０の一面側の表層において、アクティブ領域１２０ａ（メイン領域）には、ＩＧＢＴのエミッタ領域、トレンチゲートなどが形成されている。非アクティブ領域１２０ｂは、アクティブ領域１２０ａを取り囲んでいる。非アクティブ領域１２０ｂには、トレンチゲートが配置されているがエミッタ領域が非配置でＩＧＢＴ動作しないセル、または、ガードリングなどの耐圧構造部が形成されている。

また、半導体基板１２０において、切り欠き１２６ｃ（凸部１２４ｃ）の直下部分及び当該直下部分の周辺部分を含む領域１２０ｃは、アクティブ領域１２０ａよりも発熱の小さな領域となっている。以下、領域１２０ｃを、低発熱領域１２０ｃと示す。低発熱領域１２０ｃが第１領域に相当する。本実施形態では、非アクティブ領域１２０ｂの一部分が、低発熱領域１２０ｃとなっており、トレンチゲートが配置されているがエミッタ領域が非配置でＩＧＢＴ動作しないセルが形成されている。なお、アクティブ領域１２０ａよりもエミッタ領域を狭くして性能を落とした（すなわち通電性能を低くした）ＩＧＢＴが形成され、これによりアクティブ領域１２０ａよりも電流密度を下げて発熱量を減らしたアクティブ領域を、低発熱領域１２０ｃとしてもよい。なお、ＭＯＳＦＥＴの場合、ソース領域を狭くすることで、通電性能の低いアクティブ領域とすることができる。

なお、切り欠き１２６ｃの直下部分とは、Ｚ方向からの投影視において、切り欠き１２６ｃと重なる部分である。周辺部分とは、切り欠き１２６ｃを設けたことで、はんだ３０の側面が急峻となる部分である。本実施形態では、上地電極１２６の外周端１２６ａの内側にアクティブ領域１２０ａの外周端が位置している。このため、図６に破線で示すように、切り欠き１２６ｃの直下部分を含みつつ外周端１２６ａに沿って、外周端１２６ａの内側に平面略矩形状の低発熱領域１２０ｃが設定されている。なお、はんだ３０の側面が急峻とは、上地電極１２６とはんだ３０とのなす角度が、略９０度や鈍角の状態を含む。

ここで、半導体チップ１２の外周端１２ａからアクティブ領域１２０ａの外周端までの最短距離をＬ１、切り欠き１２６ｃの先端からアクティブ領域１２０ａの外周端までの最短距離をＬ２、外周端１２ａからの切り欠き１２６ｃの深さ（外周端１２ａから切り欠き１２６ｃの先端までの最短距離）をＬ３とすると、Ｌ１≦Ｌ２＋Ｌ３を満たすように、低発熱領域１２０ｃが設定されている。本実施形態では、Ｌ１＜Ｌ２＋Ｌ３となっている。このため、アクティブ領域１２０ａの外周端が、切り欠き１２６ｃに対応する凹部１２０ｄを有している。

次に、上記した半導体チップ１２とターミナル１８との接続構造について説明する。ターミナル１８のＺ方向に直交する断面積が大きいほど、半導体チップ１２の熱を、ターミナル１８を介して効率よく放熱させることができる。しかしながら、ターミナル１８を、たとえば上地電極１２６と一致させる、若しくは、上地電極１２６よりも大きくすると、上地電極１２６に対してターミナル１８を位置決めしたとしても、外周端１２６ａの全周で、はんだ３０が急峻となる。このため、ターミナル１８は、上地電極１２６よりも小さい。

また、切り欠き１２６ｃは、はんだ３０の不濡れ部分である。したがって、ターミナル１８は、はんだ３０の表面張力により、切り欠き１２６ｃと重ならないように移動し、切り欠き１２６ｃの先端で位置決めされる。ターミナル１８は、Ｘ方向両端に位置する切り欠き１２６ｃにより位置決めされ、Ｙ方向両端に位置する切り欠き１２６ｃにより位置決めされる。このように、はんだ３０の表面張力により、ターミナル１８は位置決めされる。図３に破線で示すように、ターミナル１８は、上地電極１２６に対して、Ｘ方向及びＹ方向において偏りなく配置される。

したがって、切り欠き１２６ｃが形成されていない部分では、ＸＹ平面において、上地電極１２６の外周端１２６ａとターミナル１８との間に、所定の間隔を有することとなる。これにより、図４に示すように、はんだ３０の側面が緩やかになる。換言すれば、上地電極１２６とはんだ３０とのなす角度が鋭角となる。このようにはんだ３０のフィレット形状を、所望のテーパ形状（緩やかなテーパ）とすることができる。

一方、切り欠き１２６ｃが形成されている部分では、ＸＹ平面において、上地電極１２６の外周端１２６ａとターミナル１８の外周端がほぼ一致することとなる。これにより、図５に示すように、はんだ３０の側面が急峻になる。換言すれば、上地電極１２６とはんだ３０とのなす角度が略９０度となる。このように、はんだ３０のフィレット形状が、局所的に所望のテーパ形状よりもきつくなる。しかしながら、上記したように、非アクティブ領域１２０ｂの一部分が、切り欠き１２６ｃの直下部分及びその周辺部分を含む低発熱領域１２０ｃとなっている。

次に、本実施形態に係る半導体装置１０の効果について説明する。

上地電極１２６に対してターミナル１８の位置が偏ると、部分的にはんだ３０の側面の傾きが急峻となる。このように、はんだ３０の側面が急峻になると、実使用時の冷熱サイクルによる熱応力が、保護膜１２４の開口端１２４ｂ（内側面）と上地電極１２６との境界部分に集中し、この境界部分を起点として下方にクラックが生じる虞がある。たとえば、上記境界部分を起点として下地電極１２５、ひいては半導体基板１２０にクラックが生じる虞がある。

これに対し、本実施形態の半導体装置１０では、上地電極１２６の外周端１２６ａに複数の切り欠き１２６ｃが形成されている。複数の切り欠き１２６ｃは、上地電極１２６の中心１２６ｂを取り囲むように、互いに離間して形成されている。複数の切り欠き１２６ｃは、Ｘ方向両端にそれぞれ形成されるとともに、Ｙ方向両端にそれぞれ形成されている。複数の切り欠き１２６ｃは、上地電極１２６の外周端１２６ａの４辺それぞれに形成されている。はんだ付けの際、切り欠き１２６ｃ上には、はんだ３０が濡れ拡がらない。したがって、ターミナル１８は、はんだ３０の表面張力により、切り欠き１２６ｃと重なる面積が小さくなるように移動し、切り欠き１２６ｃの先端で位置決めされる。

このように、ターミナル１８が、はんだ３０の表面張力によるセルフアラインによって位置決めされるため、切り欠き１２６ｃの周辺を除く部分において、はんだ３０の側面が緩やかな形状になる。枠状部材を用いないため、クリアランス確保のためにターミナル１８を小さくしなくてもよい。よって、放熱性の低下を抑制しつつ、熱応力によるクラック発生を抑制することができる。

なお、切り欠き１２６ｃを設けることで、切り欠き１２６ｃの周辺において、はんだ３０の側面が急峻となる。しかしながら、切り欠き１２６ｃの直下部分及び周辺部分を含む低発熱領域１２０ｃは、ＩＧＢＴの形成領域であるアクティブ領域１２０ａに較べて発熱の小さな領域となっている。したがって、切り欠き１２６ｃの周辺についても、熱応力によるクラック発生を抑制することができる。

以上により、本実施形態の半導体装置１０によれば、放熱性の低下を抑制しつつ、熱応力によるクラック発生を抑制することができる。

（第２実施形態）
本実施形態は、先行実施形態を参照できる。このため、先行実施形態に示した半導体装置１０と共通する部分についての説明は省略する。

本実施形態の半導体装置１０では、図７に示すように、上地電極１２６の外周端１２６ａに、２つの切り欠き１２６ｃを有している。対をなす切り欠き１２６ｃの一方は、平面略矩形状をなす上地電極１２６の４隅のひとつである第１隅部１２６ｄを介し、隣り合う２辺にわたって形成されている。対をなす切り欠き１２６ｃの他方は、第１隅部１２６ｄの対角に位置する第２隅部１２６ｅを介し、隣り合う２辺にわたって形成されている。切り欠き１２６ｃは、ともに平面略Ｌ字状をなしている。

このように、平面略Ｌ字状をなす切り欠き１２６ｃを採用すると、少ない数の切り欠き１２６ｃにより、ターミナル１８を上地電極１２６に対して位置決めすることができる。

ところで、上地電極１２６の中心１２６ｂに近いほど、温度が高くなる。本実施形態では、切り欠き１２６ｃを上地電極１２６の隅（角）に設けるため、中心１２６ｂと切り欠き１２６ｃとの距離が、切り欠き１２６ｃを辺に設けるより長くなる。これにより、上地電極１２６からターミナル１８に熱が伝わりやすくなるため、放熱性をより向上することができる。

なお、本実施形態に示す切り欠き１２６ｃと、第１実施形態に示した切り欠き１２６ｃを組み合わせることもできる。たとえば図８に示す第１変形例では、平面略矩形状をなす４隅のそれぞれに切り欠き１２６ｃが形成されるとともに、４辺の中央付近にも切り欠き１２６ｃがそれぞれ形成されている。すなわち、上地電極１２６に、８つの切り欠き１２６ｃが形成されている。

（第３実施形態）
本実施形態は、先行実施形態を参照できる。このため、先行実施形態に示した半導体装置１０と共通する部分についての説明は省略する。

先行実施形態では、上地電極１２６として、保護膜１２４をマスクにして形成されるめっき膜の例を示した。すなわち、上地電極１２６が、保護膜１２４の開口部１２４ａ内に配置される例を示した。これに対し、本実施形態では、上地電極１２６が、開口部１２４ａ内に配置されるとともに、開口部１２４ａの周辺上にも配置されている。すなわち、上地電極１２６の周縁部は、保護膜１２４を覆っている。このような上地電極１２６は、スパッタ等の物理的気相成長法（ＰＶＤ）により、形成することができる。ＰＶＤの場合、上地電極１２６のパターンと保護膜１２４のパターンとを個別に設定することができるので、以下に示す構成とすることで、さらに有利な効果を奏することもできる。

ここで、上地電極１２６により保護膜１２４を覆っている部分の長さ、すなわちオーバーラップ長さは、下記の通りとなっている。切り欠き１２６ｃが形成されていない部分では、図９に示すように、保護膜１２４における開口端１２４ｂの下端１２４ｄと、上地電極１２６の外周端１２６ａとの最短距離が、オーバーラップ長さＬ４となっている。また、切り欠き１２６ｃが形成されている部分では、図１０に示すように、保護膜１２４における開口端１２４ｂの下端１２４ｄと、上地電極１２６の外周端１２６ａとの最短距離が、オーバーラップ長さＬ５となっている。

そして、本実施形態では、切り欠き１２６ｃが形成されている部分におけるオーバーラップ長さＬ５が、切り欠き１２６ｃが形成されていない部分におけるオーバーラップ長さＬ４よりも長くなっている。なお、図１０では、切り欠き１２６ｃを、参考線（一点鎖線）で示している。

上記したように、実使用時の冷熱サイクルによる熱応力は、保護膜１２４の開口端１２４ｂの下端１２４ｄと上地電極１２６との境界部分に集中する。本実施形態では、熱応力が、下地電極１２５の表面における下端１２４ｄに対応する部分に集中する。

図９に示すように、切り欠き１２６ｃが形成されていない部分のオーバーラップ長さＬ４は、オーバーラップ長さＬ５より短くなっている。しかしながら、はんだ３０の側面が緩やかなので、下地電極１２５の表面における下端１２４ｄに対応する部分に集中する応力を低減できる。これにより、下地電極１２５にクラックが生じるのを抑制することができる。

一方、図１０に示すように、切り欠き１２６ｃが形成されている部分のオーバーラップ長さＬ５は、オーバーラップ長さＬ４より長くなっている。このように、下端１２４ｄ、すなわち下地電極１２５における応力集中部分が、図９に較べて、外周端１２６ａから離れた位置となっている。言い換えれば、図１０に示す下端１２４ｄの位置が、図９に示す下端１２４ｄの位置よりも、上地電極１２６の中心１２６ｂに近い位置となっている。さらに言い換えれば、切り欠き１２６ｃの深さよりも、保護膜１２４における凸部１２４ｃの突起長さが長くなっている。このため、はんだ３０の側面が急峻であるものの、下地電極１２５に作用する応力を低減することができる。これにより、下地電極１２５の表面における下端１２４ｄに対応する部分に、クラックが生じるのを抑制することができる。

この明細書の開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形態様を包含する。たとえば、開示は、実施形態において示された要素の組み合わせに限定されない。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示されるいくつかの技術的範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものと解されるべきである。

上記実施形態では、半導体装置１０が、半導体チップ１２を１つ備える１ｉｎ１パッケージに適用される例を示したが、これに限定されるものではない。半導体チップ１２を２つ備え、一相分の上下アームを構成する２ｉｎ１パッケージ、６つの半導体チップ１２を備え、三相分の上下アームを構成する６ｉｎ１パッケージなどにも適用できる。

半導体装置１０が封止樹脂体１４を備える例を示したが、封止樹脂体１４を備えない構成にも適用できる。

各ヒートシンク２０，２２の放熱面２０ａ，２２ａが、封止樹脂体１４から露出される例を示したが、封止樹脂体１４から露出されない構成にも適用できる。

半導体チップ１２が両面にそれぞれ電極（エミッタ電極１２１及びコレクタ電極１２２）を有し、半導体チップ１２の両側にヒートシンク２０，２２が配置される両面放熱構造の半導体装置１０を示したが、これに限定されない。発熱素子が形成された半導体基板、半導体基板の一面側に配置され、開口部を有する保護膜、及び発熱素子と電気的に接続され、開口部を介して外部に露出された電極を有する半導体チップと、電極に対して対向配置され、はんだを介して電極に接合された放熱部材と、を備える半導体装置であれば適用できる。

上地電極１２６が、はんだ３０を介してターミナル１８（放熱部材）と接合される電極の例を示した。すなわち、上地電極１２６（電極）の下に下地電極１２５を有し、熱応力が、下地電極１２５の表面に作用する例を示した。しかしながら、下地電極１２５を有さない構成にも適用できる。

上地電極１２６の中心１２６ｂが取り囲まれるように、複数の切り欠き１２６ｃが形成される例として、上地電極１２６が平面略形状をなし、上地電極１２６の外周端１２６ａの４辺それぞれに切り欠き１２６ｃが形成される構成を示したが、これに限定されない。また、上地電極１２６における第１方向（たとえばＸ方向）の両端と、第１方向に直交する第２方向（たとえばＹ方向）の両端と、にそれぞれ切り欠き１２６ｃが形成される例として、上地電極１２６の外周端１２６ａの４辺それぞれに切り欠き１２６ｃが形成される構成を示したが、これに限定されない。上地電極１２６の平面形状としては、矩形に限定されず、矩形以外の多角形状や円形状を採用することもできる。平面略円形状の上地電極１２６に対し、中心角１２０度ごとに切り欠き１２６ｃが形成された構成、すなわち３つの切り欠き１２６ｃが形成された構成としてもよい。また、平面略正八角形の上地電極１２６において、互いに平行な一対の第１辺にそれぞれ切り欠き１２６ｃが形成され、互いに平行な一対の辺であって、第１辺に対して直交する第２辺にそれぞれ切り欠き１２６ｃが形成された構成としてもよい。

非アクティブ領域１２０ｂの一部を、低発熱領域１２０ｃ（第１領域）とする例を示したが、これに限定されない、低発熱領域１２０ｃは、ＩＧＢＴ（発熱素子）の形成領域であるアクティブ領域１２０ａよりも発熱の小さい領域であればよい。たとえば、図１１に示す第２変形例では、半導体基板１２０に、発熱素子であるＩＧＢＴと当該ＩＧＢＴと逆並列に接続される還流用のダイオード、すなわちＲＣ−ＩＧＢＴ（Reverse Conducting IGBT）が形成されている。そして、ダイオードの形成領域であるアクティブ領域１２０ｅの一部を、低発熱領域１２０ｃとしている。図１１では、アクティブ領域１２０ａ，１２０ｅが、Ｙ方向においてストライプ状に並んでいる。この構造を活かし、Ｘ方向に延設されるアクティブ領域１２０ｅの一部を、低発熱領域１２０ｃとしている。この構成以外にも、低発熱領域１２０ｃに対応してダイオードが形成された構成としてもよい。

１０…半導体装置、１２…半導体チップ、１２ａ…外周端、１２０…半導体基板、１２０ａ…アクティブ領域、１２０ｂ…非アクティブ領域、１２０ｃ…低発熱領域、１２０ｄ…凹部、１２０ｅ…アクティブ領域、１２１…エミッタ電極、１２２…コレクタ電極、１２３…パッド、１２４…保護膜、１２４…開口部、１２４ｂ…開口端、１２４ｃ…凸部、１２４ｄ…下端、１２５…下地電極、１２６…上地電極、１２６ａ…外周端、１２６ｂ…中心、１２６ｃ…切り欠き、１２６ｄ…第１隅部、１２６ｅ…第２隅部、１４…封止樹脂体、１４ａ…一面、１４ｂ…裏面、１４ｃ…側面、１６…信号端子、１８…ターミナル、２０，２２…ヒートシンク、２０ａ，２２ａ…放熱面、２４，２６…主端子、２８…ボンディングワイヤ、３０，３２，３４…はんだ

Claims (8)

1. 発熱素子が形成された半導体基板（１２０）、前記半導体基板の一面側に配置され、開口部（１２４ａ）を有する保護膜（１２４）、及び前記発熱素子と電気的に接続され、前記開口部を介して外部に露出された電極（１２６）を有する半導体チップ（１２）と、
   前記電極に対して対向配置され、はんだ（３０）を介して前記電極に接合された放熱部材（１８）と、
   を備え、
   前記電極は、前記はんだの不濡れ部分として、当該電極の中心を取り囲むように外周端に形成された複数の切り欠き（１２６ｃ）を有し、
   前記半導体基板において、前記切り欠きの直下部分及び当該直下部分の周辺部分を含む第１領域（１２０ｃ）が、前記電極の直下部分であって前記第１領域とは別の領域であり、前記発熱素子の形成領域である第２領域（１２０ａ）よりも、発熱の小さな領域とされている半導体装置。
2. 発熱素子が形成された半導体基板（１２０）、前記半導体基板の一面側に配置され、開口部（１２４ａ）を有する保護膜（１２４）、及び前記発熱素子と電気的に接続され、前記開口部を介して外部に露出された電極（１２６）を有する半導体チップ（１２）と、
   前記電極に対して対向配置され、はんだ（３０）を介して前記電極に接合された放熱部材（１８）と、
   を備え、
   前記電極は、前記はんだの不濡れ部分として、前記半導体基板の板厚方向に直交する第１方向の両端と、前記板厚方向及び前記第１方向の両方向に直交する第２方向の両端と、にそれぞれ形成された切り欠き（１２６ｃ）を有し、
   前記半導体基板において、前記切り欠きの直下部分及び当該直下部分の周辺部分を含む第１領域（１２０ｃ）が、前記電極の直下部分であって前記第１領域とは別の領域であり、前記発熱素子の形成領域である第２領域（１２０ａ）よりも、発熱の小さな領域とされている半導体装置。
3. 前記電極は、平面矩形状をなしており、
   前記切り欠きは、前記電極の４辺のそれぞれに形成されている請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記電極には、２つの前記切り欠きが形成されており、
   一方の前記切り欠きは、前記電極の４隅のひとつである第１隅部（１２６ｄ）を介して隣り合う２辺にわたって形成され、他方の前記切り欠きは、前記第１隅部の対角に位置する第２隅部（１２６ｅ）を介して隣り合う２辺にわたって形成されている請求項３に記載の半導体装置。
5. 前記第１領域は、素子の形成されない非アクティブ領域とされている請求項１〜４いずれか１項に記載の半導体装置。
6. 前記第１領域は、前記第２領域よりも通電性能の低いアクティブ領域とされている請求項１〜４いずれか１項に記載の半導体装置。
7. 前記発熱素子は，ＩＧＢＴであり、
   前記第１領域には、前記ＩＧＢＴに対して逆並列に接続される還流用のダイオードが形成されている請求項１〜４いずれか１項に記載の半導体装置。
8. 前記電極は、前記開口部内に配置されるとともに、前記保護膜における開口部周辺上に配置されており、
   前記電極の外周端から前記保護膜の開口端までの前記電極のオーバーラップ長さが、前記切り欠きの周辺部分において、前記切り欠きから離れた前記周辺部分とは異なる部分よりも長くされている請求項１〜７いずれか１項に記載の半導体装置。

Images