JP6972928B2

JP6972928B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP6972928B2
Application number: JP2017211338A
Authority: JP
Inventors: 良輔椎崎; 寿石間伏
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2017-10-31
Filing date: 2017-10-31
Publication date: 2021-11-24
Anticipated expiration: 2037-10-31
Also published as: JP2019083297A

Description

本明細書に開示する技術は、半導体装置に関する。

特許文献１に半導体装置が開示されている。特許文献１の半導体装置は、半導体基板と、半導体基板の表面を覆っている電極と、その電極の表面に接合材を介して固定されている導電板とを備えている。

特開２０１６−４６４９７号公報

特許文献１の半導体装置では、半導体基板が通電によって発熱すると、装置内部で熱応力が発生する。そうすると、発生した熱応力に起因して電極にひずみが生じることがある。電極に生じるひずみの量が大きくなると、半導体装置の故障の原因になることがある。そこで本明細書は、電極に生じるひずみの量を抑制することができる技術を提供する。

本明細書に開示する半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板の表面を覆っている表面電極と、前記表面電極の表面の外周部を覆っている保護膜と、前記保護膜に覆われていない前記表面電極の表面の内側部を覆っている金属膜と、前記金属膜の表面に接合材を介して固定されている導電板と、を備えている。この半導体装置は、前記表面電極の前記表面の前記外周部と前記内側部との境界において、前記表面電極と前記保護膜と前記金属膜の三者が互いに接触する接触点を有している。前記導電板の裏面には、前記導電板の外周端と前記導電板の中心部との中間よりも前記外周端側の位置に凹部が形成されており、前記凹部に前記接合材が充填されている。

上記の構成では、半導体基板が通電によって発熱すると、その熱が表面電極と保護膜と金属膜に伝わる。そうすると、表面電極と保護膜と金属膜が熱膨張することによって、それぞれに熱応力が発生する。このとき、表面電極と保護膜と金属膜が互いに接触している接触点を有している構成では、その接触点における熱応力が特に大きくなる傾向がある。そこで、上記の構成では、導電板の裏面に凹部が形成されており、その凹部に接合材が充填されている構成を採用した。この凹部は、導電板の外周端と導電板の中心部との中間よりも外周端側の位置に形成されている。この構成によれば、導電板に形成されている凹部に接合材が充填されることによって、金属膜と導電板の間に存在する接合材の量を減らすことができ、金属膜と導電板の間で外部に露出している接合材の表面の傾斜角度（すなわち、フィレット角度）を緩やかにすることができる。これにより、接触点における熱応力に起因して表面電極にひずみが生じたとしても、そのひずみの量を抑制することができる。また、導電板の外周端と導電板の中心部との中間よりも外周端側の位置に凹部を形成することによって、表面電極に生じるひずみの量を抑制することができることが見出された。

実施例に係る半導体装置の断面図である。図１の要部IIの拡大図である。図２の要部IIIの拡大図である。図１のIV‐IV断面図である。導電板の裏面に凹部を形成する方法の一例を説明する図である（１）。導電板の裏面に凹部を形成する方法の一例を説明する図である（２）。導電板の外周端から凹部までの距離Ｌと、表面電極のひずみの量との関係を示すグラフである。

実施例に係る半導体装置について図面を参照して説明する。図１及び図２に示すように、実施例に係る半導体装置１は、半導体基板２と、半導体基板２の表面２１を覆っている表面電極４と、表面電極４の表面４１を覆っている保護膜５と、表面電極４の表面４１と保護膜５の表面５１を覆っている金属膜６を備えている。また、半導体装置１は、金属膜６の表面６１にはんだ９１を介して固定されている導電板３と、導電板３の表面３４にはんだ９２を介して固定されている表面側放熱板８１を備えている。また、半導体装置１は、半導体基板２の裏面を覆っている裏面電極７と、裏面電極７の裏面にはんだ９３を介して固定されている裏面側放熱板８２を備えている。なお、図１及び図２の上側が表面側であり、下側が裏面側である。

半導体基板２は、例えばシリコン（Ｓｉ）や炭化ケイ素（ＳｉＣ）等から形成されている。半導体基板２には、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等の素子構造が形成されている。素子構造が例えばＩＧＢＴである場合、半導体基板２には、エミッタ領域、コレクタ領域、ボディ領域、ドリフト領域、ゲート電極などが形成されている（図示省略）。半導体基板２は、動作時に発熱する。

表面電極４は、導電性を有している。表面電極４は、例えばアルミシリコン合金（ＡｌＳｉ）から形成されている。表面電極４は、半導体基板２に形成されているエミッタ領域と導通している。

保護膜５は、表面電極４の一部を覆っている。表面電極４には保護膜５に覆われている部分と覆われていない部分が存在している。保護膜５は、表面電極４の表面４１の外周部４２を覆っている。また、保護膜５は、表面電極４の外周端４６を覆っている。保護膜５は、表面電極４の周方向に沿って延びている（図示省略）。保護膜５は、表面電極４の全周にわたって延びており、表面電極４を囲んでいる。保護膜５は、樹脂から形成されており、絶縁性を有している。保護膜５は、例えばポリイミド（ＰＩ）から形成されている。保護膜５の内周端５５の位置では、表面電極４と保護膜５と金属膜６の三者が互いに接触している。この部分を接触点１０１と呼ぶ。接触点１０１は、三重点と呼ばれることもある。また、図３に示すように、保護膜５の表面５１は、内面部５３と上面部５２を備えている。内面部５３は、表面電極４の表面４１に対して傾斜している。内面部５３は、表面電極４の表面４１から斜め上方に延びている。上面部５２は、内面部５３の上部から表面電極４の表面４１に沿う方向に延びている。

金属膜６は、導電性を有している。金属膜６は、例えばニッケル（Ｎｉ）から形成されている。金属膜６は、保護膜５の表面５１の内面部５３を覆っている。保護膜５の表面５１の上面部５２は金属膜６に覆われていない。金属膜６は、保護膜５の内周端５５を覆っている。また、金属膜６は、保護膜５に覆われていない表面電極４の表面４１も覆っている。金属膜６は、表面電極４の表面４１の内側部４４を覆っている。表面電極４の表面４１の内側部４４は、保護膜５に覆われている外周部４２よりも内側の部分である。金属膜６は、保護膜５と表面電極４に接触している。表面電極４の表面４１の外周部４２と内側部４４との境界において、表面電極４と保護膜５と金属膜６の三者が互いに接触する接触点１０１が形成されている。

金属膜６の表面６１には、はんだ９１（接合材の一例）を介して導電板３が固定されている。はんだ９１としては、例えばＳｎ系はんだ、ＳｎＣｕ系はんだ、Ｚｎ系はんだ等を用いることができる。はんだ９１は、保護膜５の表面５１の内面部５３に接触している。保護膜５の表面５１の上面部５２には、はんだ９１が接触していない。

導電板３は、板状に形成されている。導電板３は、銅（Ｃｕ）から形成されている。導電板３は、導電性および熱伝導性を有している。導電板３は、ｚ方向（半導体基板２と導電板３の積層方向）において、表面電極４と重なる位置に配置されている。導電板３の表面３４には、はんだ９２を介して表面側放熱板８１が固定されている。導電板３は、半導体基板２と表面側放熱板８１の間に配置されており、両者の間のスペーサーとしての機能を有している。

導電板３の裏面３７（はんだ９１を介して金属膜６に固定されている側の面）には、凹部３２が形成されている。導電板３の裏面３７に沿う方向（ｘ方向）において、凹部３２は、導電板３の外周端３６と中心部３０との中間３１よりも外側（図３の左側）に形成されている。凹部３２は、中間３１よりも外周端３６側に位置している。導電板３の外周端３６から凹部３２の中心部までの距離Ｌは、外周端３６から中間３１までの距離Ｄより短い。また、凹部３２の内側（図３の右側）の端部３２２が、外周端３６と中心部３０との中間３１よりも外側（図３の左側）の位置に存在することが好ましい。

導電板３に形成されている凹部３２には、はんだ９１が充填されている。凹部３２にはんだ９１が充填されることによって、はんだ９１の表面９６の傾斜角度θ（すなわち、フィレット角度）が緩やかになる。傾斜角度θは、金属膜６の表面６１に対するはんだ９１の表面９６の角度である。導電板３の裏面３７に凹部３２が形成されている場合では、凹部３２が形成されていない場合に比べて、はんだ９１が保護膜５に接触する位置でのはんだ９１の表面９６の傾斜角度θが緩やかになる。なお、凹部３２が形成されていない場合は、はんだ９１の表面９６の位置が二点鎖線（仮想線）で示す位置になる。はんだ９１の表面９６は、金属膜６と導電板３の間で斜めに延びている。はんだ９１の表面９６は、金属膜６と導電板３の間で外部に露出している。

図４に示すように、半導体基板２と導電板３をｚ方向（半導体基板２と導電板３の積層方向）に視ると、導電板３に形成されている凹部３２は、導電板３の周方向に沿って延びている。凹部３２は、導電板３の外周端３６より内側で導電板３の全周にわたって延びている。図４では凹部３２が形成されている位置を二点鎖線（仮想線）で示している。また、図４では封止樹脂９０等を省略して示している。

導電板３の裏面３７に凹部３２を形成するには、例えば、図５に示すように、導電板３の裏面３７を第１金型７５によって押圧する。第１金型７５には凹部３２に対応する凸部７６が形成されている。第１金型７５によって導電板３の裏面３７に凹部３２を形成することができる。第１金型７５によって凹部３２を形成したときに、凹部３２の周囲にバリ３８が発生することや、導電板３の裏面３７に盛上り３９が発生することがある。この場合は、図６に示すように、導電板３の裏面３７を第２金型７７によって押圧する。第２金型７７には、バリ３８や盛上り３９に対応する平坦部７８が形成されている。第２金型７７によってバリ３８や盛上り３９を平坦化する。

図２に示すように、半導体基板２の裏面には、裏面電極７が形成されている。裏面電極７は、導電性を有している。裏面電極７は、例えばニッケル（Ｎｉ）から形成されている。裏面電極７は、半導体基板２に形成されているコレクタ領域と導通している。裏面電極７の裏面には、はんだ９３を介して裏面側放熱板８２が固定されている。

半導体基板２の上下に配置されている表面側放熱板８１および裏面側放熱板８２の材質としては、例えば銅（Ｃｕ）はアルミニウム（Ａｌ）を用いることができる。表面側放熱板８１および裏面側放熱板８２は、熱伝導性および導電性を有している。表面側放熱板８１および裏面側放熱板８２は、半導体基板２において生じた熱を放散する機能を有している。また、表面側放熱板８１および裏面側放熱板８２は、電極としての機能を有している。表面側放熱板８１と裏面側放熱板８２の間には封止樹脂９０が充填されている。

封止樹脂９０は、表面側放熱板８１と裏面側放熱板８２の間に配置されている上記の各構成（半導体基板２、表面電極４、保護膜５、金属膜６、導電板３、裏面電極７、はんだ９１、９２、９３）を封止している。封止樹脂９０は、表面側放熱板８１と裏面側放熱板８２の間の部材に密着している。封止樹脂９０の材料としては、エポキシ樹脂を用いることができる。その他に、封止樹脂９０は、硬化剤、応力緩和剤、硬化促進剤、フィラー等を含んでいてもよい。

上記の構成を備えている半導体装置１では、半導体基板２が通電によって発熱すると、その熱が表面電極４と保護膜５と金属膜６に伝わる。また、その熱が、表面側のはんだ９１と導電板３とはんだ９２を介して表面側放熱板８１に伝わる。また、半導体基板２の熱が裏面側のはんだ９３を介して裏面側放熱板８２に伝わる。表面側放熱板８１と裏面側放熱板８２に伝わった熱は外部に放熱される。この過程において、半導体基板２の熱が表面電極４と保護膜５と金属膜６に伝わると、その熱によって表面電極４と保護膜５と金属膜６が熱膨張する。そうすると、表面電極４と保護膜５と金属膜６に熱応力が発生する。この熱応力は、三者の熱膨張率の相違によって、表面電極４と保護膜５と金属膜６が集まっている接触点１０１で特に大きくなる傾向がある。また、接触点１０１での熱応力に起因して表面電極４にひずみが生じることがある。そのため、熱応力に起因して表面電極４で生じるひずみの量を抑制することが好ましい。

そこで、上記の半導体装置１では、導電板３の裏面３７に凹部３２が形成されている構成としている。この凹部３２は、導電板３の外周端３６と導電板３の中心部３０との中間３１よりも外周端３６側の位置に凹部３２が形成されている。また、この凹部３２には、はんだ９１が充填されている。この構成によれば、導電板３の裏面３７に形成されている凹部３２にはんだ９１が充填されることによって、金属膜６と導電板３の間のはんだ９１の量を減らすことができ、金属膜６と導電板３の間で外部に露出しているはんだ９１の表面９６の傾斜角度θ（すなわち、フィレット角度）を緩やかにすることができる。これにより、接触点１０１における熱応力に起因して表面電極４にひずみが生じたとしても、そのひずみの量を抑制することができる。また、導電板３の外周端３６と導電板３の中心部３０との中間３１よりも外周端３６側の位置に凹部３２が形成されていることによって、表面電極４に生じるひずみの量を更に抑制することができる。この効果については以下に説明する試験例で検証する。

［試験例］
上記の半導体装置１と従来の半導体装置について、試験例と比較例を用いて試験を行った。試験例１−３では上記の半導体装置１を用いた。上記の半導体装置１では、導電板３の裏面３７に凹部３２が形成されている。試験例１−３では、導電板３の外周端３６と導電板３の中心部３０との中間３１よりも外周端３６側の位置に凹部３２が形成されている。試験例１−３では、図３に示す導電板３の外周端３６から凹部３２までの距離Ｌが異なっている。試験例１−３における距離Ｌは、表１に示す通りである。

比較例１では従来の半導体装置を用いた。従来の半導体装置では、導電板３の裏面３７に凹部３２が形成されていない。その他の構成については、上記の半導体装置１と同様である。また、比較例２、３では、上記の半導体装置１に類似する半導体装置であって、導電板３の凹部３２が外周端３６と中心部３０との中間３１より中心部３０側に位置している半導体装置を用いた。比較例２、３における距離Ｌは、表１に示す通りである。なお、試験例１−３および比較例１−３において導電板３の外周端３６から中間３１までの距離Ｄは、４．００ｍｍである。

試験例１−３及び比較例１−３について、表面電極４と裏面電極７の間に電圧を繰り返し印加した。そして、表面電極４に生じたひずみの量を測定した。試験例１−３及び比較例１−３におけるひずみの量は、表１に示す通りである。また、距離Ｌとひずみの量との関係は、図７に示すグラフの通りである。

表１及び図７に示すように、試験例１−３では、比較例１−３と比較して、表面電極４に生じるひずみの量を抑制できることが確認できた。よって、導電板３の外周端３６と導電板３の中心部３０との中間３１よりも外周端３６側に凹部３２が形成されている構成ではひずみの量を抑制できることが確認できた。以上より、半導体装置１による効果が確認された。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１：半導体装置
２：半導体基板
３：導電板
４：表面電極
５：保護膜
６：金属膜
７：裏面電極
３０：中心部
３１：中間
３２：凹部
３６：外周端
３７：裏面
８１：表面側放熱板
８２：裏面側放熱板
９０：封止樹脂
９１：はんだ
９２：はんだ
９３：はんだ
１０１：接触点

Claims

半導体基板と、
前記半導体基板の表面を覆っている表面電極と、
前記表面電極の表面の外周部を覆っている保護膜と、
前記保護膜に覆われていない前記表面電極の表面の内側部を覆っている金属膜と、
前記金属膜の表面に接合材を介して固定されている導電板と、を備えており、
前記表面電極の前記表面の前記外周部と前記内側部との境界において、前記表面電極と前記保護膜と前記金属膜の三者が互いに接触する接触点を有しており、
前記導電板の裏面には、前記導電板の外周端と前記導電板の中心部との中間よりも前記外周端側の位置に凹部が形成されており、前記凹部に前記接合材が充填されている、半導体装置。