JP7005469B2 - 半導体装置 - Google Patents

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正剛 原田
章 後藤
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Description

本発明は、電極が固定されているケースを備える半導体装置に関する。
パワーモジュール等の半導体装置では、ケースに、端子としての電極が固定されている。なお、ケース内には、封止材としてのゲルが充填されている。また、ケースは、金属で構成された放熱板に接着されている。
一般的に、ケースはプラスチック等の樹脂で構成されている。そのため、電極(端子)と樹脂(ケース)との密着性は低い。これにより、電極と樹脂(ケース)との間に、気泡が存在する場合がある。気泡が存在する場合、様々な不具合が発生する。以下においては、電極とケース(樹脂)との間に気泡が存在する状況を、「気泡存在状況」ともいう。
特許文献1では、気泡の存在に伴う、絶縁耐圧に関する不具合の発生を抑制するための構成(以下、「関連構成A」ともいう)が開示されている。関連構成Aでは、放熱板上に絶縁基板が積層される。絶縁基板に固着されている外部導出端子は、水平部および垂直部を有する。水平部は、はんだにより、絶縁基板の上面に固着される。なお、絶縁ケース内に封止樹脂が充填されることにより、当該封止樹脂により、絶縁基板、及び、外部導出端子の下部が封止される。
また、関連構成Aでは、外部導出端子のうち、水平部と垂直部との間に傾斜部が設けられる。傾斜部には、貫通孔が設けられている。貫通孔の存在により、ケース内に封止樹脂が充填される際に発生する気泡が残らず、空隙部が形成されることが抑制される。これにより、絶縁耐圧が向上するという効果が得られる。
実開平6-062550号公報
樹脂で構成されているケースに電極が固定されている前述の構成では、気泡存在状況が発生する場合がある。電極とケースとの間に気泡が存在する気泡存在状況では、高温環境下において当該気泡が膨張した場合、種々の不具合が生じるという問題がある。当該不具合は、例えば、絶縁性が低下するという不具合である。関連構成Aでは、この問題を解決できない。
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、電極とケースとの間に気泡が存在する状況を解消しやすい半導体装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る半導体装置は、封止材が充填されている領域を囲むケースを備える。前記ケースは、樹脂で構成されており、前記ケースには、電極が固定されており、前記電極は、前記領域に接触する、当該電極の一部である局部を有し、前記封止材が前記局部を少なくとも覆うように、当該封止材は設けられており、前記局部には、前記ケースを構成する前記樹脂の一部を前記領域に露出させる切り欠きが設けられており、前記切り欠きは、前記局部と前記ケースとの境界まで延在しており、前記切り欠きのうち、前記境界に近い部分程、当該部分の断面積が大きくなるように、当該切り欠きは構成されている

本発明によれば、半導体装置は、封止材が充填されている領域を囲むケースを備える。前記ケースは、樹脂で構成されている。前記ケースには、電極が固定されている。電極の一部である局部には、前記ケースを構成する前記樹脂の一部を前記領域に露出させる切り欠きが設けられている。
これにより、電極(局部)と、ケース(樹脂)との間に気泡が存在する状況においても、切り欠きの存在により、当該状況が解消されやすくなる。したがって、電極とケースとの間に気泡が存在する状況を解消しやすい半導体装置を提供することができる。
実施の形態1に係る半導体装置の面図である。 図1における、電極の局部の周辺の構成を示す平面図である。 図2のA1-A2線に沿った、半導体装置の断面図である。 変形例1の構成における、電極の局部の周辺の構成を示す平面図である。 変形例2に係る構成を有する半導体装置の電極の局部の周辺の構成を示す平面図である。 図5のC1-C2線に沿った、半導体装置の断面図である。 変形例3に係る構成を有する半導体装置の電極の局部の周辺の断面図である。
以下、図面を参照しつつ、実施の形態について説明する。以下の図面では、同一の各構成要素には同一の符号を付してある。同一の符号が付されている各構成要素の名称および機能は同じである。したがって、同一の符号が付されている各構成要素の一部についての詳細な説明を省略する場合がある。
なお、実施の形態において例示される各構成要素の寸法、材質、形状、当該各構成要素の相対配置などは、装置の構成、各種条件等により適宜変更されてもよい。また、各図における各構成要素の寸法は、実際の寸法と異なる場合がある。
<実施の形態1>
図1は、実施の形態1に係る半導体装置100の面図である。半導体装置100は、たとえば、家電用、産業用、自動車用、電車用等のパワーモジュールである。
図1において、X方向、Y方向およびZ方向は、互いに直交する。以下の図に示されるX方向、Y方向およびZ方向も、互いに直交する。以下においては、X方向と、当該X方向の反対の方向(-X方向)とを含む方向を「X軸方向」ともいう。また、以下においては、Y方向と、当該Y方向の反対の方向(-Y方向)とを含む方向を「Y軸方向」ともいう。また、以下においては、Z方向と、当該Z方向の反対の方向(-Z方向)とを含む方向を「Z軸方向」ともいう。
また、以下においては、X軸方向およびY軸方向を含む平面を、「XY面」ともいう。また、以下においては、X軸方向およびZ軸方向を含む平面を、「XZ面」ともいう。また、以下においては、Y軸方向およびZ軸方向を含む平面を、「YZ面」ともいう。
図2は、図1における、後述の電極E1の局部E1xの周辺の構成を示す平面図である。なお、図2では、構成を分かりやすくするために、後述の封止材4は示していない。図3は、図2のA1-A2線に沿った、半導体装置100の断面図である。なお、図3には、構成を分かりやすくするために、後述のワイヤW1等も示している。また、図3は、図1における、後述の局部E1xの周辺の構成を示す拡大図である。
図1、図2および図3を参照して、半導体装置100は、ケースCs1と、放熱板11と、複数の電極E1と、複数の半導体素子S1と、基板10と、複数のワイヤW1と、蓋F1とを備える。
ケースCs1の形状は、例えば、筒状である。また、平面視(XY面)におけるケースCs1の形状は、閉ループ状である。ケースCs1は、内面Cs1eを有する。平面視(XY面)における内面Cs1eの形状は、閉ループ状である。ケースCs1は、絶縁性を有する。ケースCs1は、樹脂で構成されている。当該樹脂は、例えば、プラスチックである。
また、ケースCs1には、各電極E1が固定されている。各電極E1は、長尺状の端子である。各電極E1は、先端E1eを有する。ケースCs1は、接着剤12を介して、放熱板11に接着されている。放熱板11は、金属(例えば、銅)で構成されている。
ケースCs1は、開口としての領域Rg1を有する。すなわち、ケースCs1は、領域Rg1を囲む。また、ケースCs1の内面Cs1eは、領域Rg1の下部を囲む。領域Rg1には、封止材4が充填されている。封止材4は、例えば、ゲルである。なお、放熱板11は、封止材4が充填されている領域Rg1の下面に接触する(図1参照)。蓋F1は、開口としての領域Rg1をふさぐように、ケースCs1に取り付けられる。
また、各電極E1は、局部E1xを有する。局部E1xは、電極E1の一部である。局部E1xの形状は、長尺状である。局部E1xは、平面視(XY面)における、ケースCs1の中央部に向かって、延在している。以下においては、局部E1xが延在している方向を、「特定方向」ともいう。例えば、図1および図2における特定方向は、X軸方向である。
また、局部E1xは、領域Rg1(封止材4)に接触する。局部E1xは、表面E1sを有する。すなわち、表面E1sは、領域Rg1(封止材4)に接触する。また、局部E1xは、先端E1eを有する。また、局部E1xは、突出部X1を有する。なお、突出部X1の先端は、先端E1eである。また、各電極E1の別の一部は、ケースCs1の内部に存在する。
なお、封止材4が局部E1xを少なくとも覆うように、当該封止材4は設けられている。
基板10は、絶縁性を有する。基板10は、封止材4が充填されている領域Rg1に存在する。基板10は、接合材8を介して、放熱板11に接続されている。接合材8は、例えば、はんだである。
基板10は、絶縁部材5と、複数の導電部6と,導電部7とを含む。導電部6,7の各々は、例えば、銅で構成される。絶縁部材5は、例えば、セラミックで構成される。絶縁部材5は、表面5aおよび裏面5bを有する。絶縁部材5の裏面5bには、導電部7が接合されている。導電部7は、接合材8を介して、放熱板11に接合されている。
絶縁部材5の表面5aには、複数の導電部6が接合されている。なお、図1では、2つの導電部6が示されているが、絶縁部材5の表面5aに設けられる導電部6の数は、1または3以上であってもよい。以下においては、2つの導電部6を、それぞれ、導電部6aおよび導電部6bともいう。
各半導体素子S1は、例えば、電力用半導体素子等の半導体チップである。当該電力用半導体素子は、例えば、スイッチング素子、ダイオード等である。各半導体素子S1の上面には、表面電極(図示せず)が設けられている。各半導体素子S1の下面には、裏面電極(図示せず)が設けられている。
各半導体素子S1は、基板10に実装されている。具体的には、各半導体素子S1の裏面電極は、接合材9を介して、導電部6aに電気的に接続されている。接合材9は、例えば、はんだである。
なお、導電部6aに接合される半導体素子S1の数は、2に限定されない。導電部6aに接合される半導体素子S1の数は、1または3以上であってもよい。
各電極E1は、半導体素子S1または基板10と電気的に接続されている。具体的には、各電極E1の局部E1xは、ワイヤW1を介して、半導体素子S1の表面電極(図示せず)、または、基板10の導電部6(導電部6aまたは導電部6b)に接続されている。なお、図3は、電極E1が、基板10と電気的に接続されている構成を示す。具体的には、図3は、電極E1の局部E1xが、ワイヤW1を介して、基板10の導電部6(導電部6b)に接続されている構成を示す。
各ワイヤW1は、金属で構成されている。各ワイヤW1は、端W1a,W1bを有する。各ワイヤW1の端W1aは、局部E1xの表面E1sに接続されている。すなわち、表面E1sは、ワイヤW1が接続されているワイヤボンド面である。また、各ワイヤW1の端W1bは、半導体素子S1の表面電極、または、基板10の導電部6(導電部6aまたは導電部6b)に接続されている。
以下においては、局部E1xの表面E1sのうち、ワイヤW1の端W1aが接続されている位置を、「ワイヤボンド点」ともいう。
次に、本実施の形態の特徴的な構成(以下、「構成Ct1」ともいう)について説明する。なお、以下の説明では、一例として、複数の電極E1に含まれる1つの電極E1について説明する。当該1つの電極E1は、図1に示される2つの電極E1のうち、右側の電極E1である。
図2および図3を参照して、電極E1の局部E1xには、切り欠きV1が設けられている。また、切り欠きV1は、局部E1xの表面E1sに設けられている。なお、図2では、局部E1xに設けられている切り欠きV1の数が2である構成が示されている。なお、局部E1xに設けられている切り欠きV1の数は、1であってもよい。
以下においては、電極E1の局部E1xとケースCs1との境界を、「境界B1」ともいう(図3参照)。切り欠きV1は、境界B1まで延在している。切り欠きV1は、ケースCs1を構成する樹脂の一部を領域Rg1に露出させる。
また、特定方向(X軸方向)において、切り欠きV1は、端W1a(ワイヤボンド点)よりも、ケースCs1の中央部に近い。具体的には、特定方向(X軸方向)において、端W1bは端W1aよりも、ケースCs1の中央部に近い。特定方向(X軸方向)において、切り欠きV1は、端W1a(ワイヤボンド点)と端W1bとの間に存在する。
(まとめ)
以上説明したように、本実施の形態によれば、半導体装置100は、封止材4が充填されている領域Rg1を囲むケースCs1を備える。ケースCs1は、樹脂で構成されている。ケースCs1には、電極E1が固定されている。電極E1の一部である局部E1xには、ケースCs1を構成する樹脂の一部を領域Rg1に露出させる切り欠きV1が設けられている。
これにより、電極(局部)と、ケース(樹脂)との間に気泡が存在する状況においても、切り欠きV1の存在により、当該状況が解消されやすくなる。したがって、電極とケースとの間に気泡が存在する状況を解消しやすい半導体装置を提供することができる。
以下においては、境界B1のうち、切り欠きV1の端に相当する位置を、「位置P1」ともいう(図2および図3参照)。また、以下においては、電極E1の局部E1xとケースCs1(樹脂)との間(境界B1)に気泡が存在する状況を、「気泡存在状況」ともいう。また、以下においては、ケースCs1の内面Cs1eと封止材4との境界を、「境界B2」ともいう(図3参照)。また、以下においては、高温環境下に半導体装置100が存在する状況を、「高温状況」ともいう。
また、本実施の形態によれば、電極E1の局部E1xには、切り欠きV1が設けられている(図2および図3参照)。また、切り欠きV1は、局部E1xの表面E1sに設けられている。また、切り欠きV1は、境界B1まで延在している。
これにより、気泡存在状況においても、例えば、気泡は、図3の位置P1から、切り欠きV1を介して、局部E1xの表面E1s(ワイヤボンド面)側へ移動することができる。そのため、気泡存在状況および高温状況でも、気泡が膨張して、当該気泡が境界B2まで移動することを抑制することができる。
また、本実施の形態によれば、特定方向(X軸方向)において、切り欠きV1は、端W1a(ワイヤボンド点)よりも、ケースCs1の中央部に近い。すなわち、図3において、切り欠きV1は、突出部X1よりも、位置P1に近い。そのため、気泡存在状況および高温状況でも、気泡が膨張して、当該気泡が境界B2まで移動することを抑制することができる。
したがって、気泡が境界B2まで広がらない。そのため、電極E1(局部E1x)と放熱板11との間における絶縁性を確保できるという効果が得られる。
なお、構成Ct1を有さない従来の半導体装置では、気泡存在状況および高温状況において、例えば、気泡が膨張することにより、電極と放熱板との間における絶縁性が低下するという問題がある。
そこで、本実施の形態の半導体装置100は、上記の効果を奏するための構成を有する。そのため、本実施の形態の半導体装置100により、上記の問題を解決することができる。
なお、本実施の形態のケースCs1は、成形後のケースに各電極が嵌め込まれて、当該各電極が固定された構造(いわゆる、アウトサートケース構造)のケースであっても良い。また、本実施の形態のケースCs1は、インサート成型によりケースと各電極が一体的に固定された構造(いわゆる、インサートケース構造)のケースであっても良い。
アウトサートケース構造では、電極とケース間の隙間が広いため、電極とケース間に気泡が発生しやすい。インサートケース構造では、電極とケース間の隙間が狭く、気泡が膨張した際に、当該気泡が境界B2まで移動しやすい傾向がある。そのため、ケースCs1の構造が、アウトサートケース構造およびインサートケース構造のいずれであっても、本実施の形態の構成は有効である。
<変形例1>
以下においては、本変形例の構成を「構成Ctm1」ともいう。構成Ctm1は、電極E1の局部E1xに複数の切り欠きV1を設けた構成である。また、構成Ctm1は、切り欠きV1の数を、構成Ct1よりも増やした構成である。構成Ctm1は、構成Ct1に適用される。
図4は、変形例1の構成Ctm1における、電極E1の局部E1xの周辺の構成を示す平面図である。なお、図4のB1-B2線に沿った、半導体装置100の断面図は、図3である。前述したように、図3には、構成を分かりやすくするために、ワイヤW1等も示している。
図4を参照して、電極E1の局部E1xには、複数の切り欠きV1が設けられている。平面視(XY面)における各切り欠きV1の形状は、円である。なお、平面視(XY面)における各切り欠きV1の形状は、円以外の形状(例えば、矩形)であってもよい。
構成Ctm1における各切り欠きV1は、ケースCs1を構成する樹脂の一部を領域Rg1に露出させる。また、構成Ctm1における切り欠きV1は、図3のように、境界B1まで延在している。
(まとめ)
以上説明したように、本変形例の構成Ctm1によれば、電極E1の局部E1xには、複数の切り欠きV1が設けられている。また、構成Ctm1では、局部E1xに設けられる切り欠きV1の数は、構成Ct1よりも多い。
そのため、気泡存在状況においても、気泡が、図3の位置P1から、各切り欠きV1を介して、局部E1xの表面E1s(ワイヤボンド面)側へさらに容易に移動することができる。したがって、気泡が境界B2まで広がらない。そのため、電極E1(局部E1x)と放熱板11との間における絶縁性を十分に確保できる。
なお、電極E1の局部E1xに設けられる切り欠きV1の数は、4以上であってもよい。
<変形例2>
以下においては、本変形例の構成を「構成Ctm2」ともいう。構成Ctm2は、切り欠きV1が、電極E1の先端E1eまで延在している構成である。構成Ctm2は、構成Ct1および構成Ctm1の全てまたは一部に適用される。
一例として、構成Ctm2が適用された構成Ct1(以下、「構成Ct1m2」ともいう)を、以下に示す。構成Ct1m2は、図2の構成に、構成Ctm2が適用されたものである。
図5は、変形例2に係る構成Ct1m2を有する半導体装置100の電極E1の局部E1xの周辺の構成を示す平面図である。図6は、図5のC1-C2線に沿った、半導体装置100の断面図である。なお、図6には、構成を分かりやすくするために、ワイヤW1等も示している。また、構成を分かりやすくするために、図6では、図5の局部E1xのうち、X軸方向において最も長い部分の範囲を、局部E1xの範囲として示している。
図5を参照して、構成Ctm2では、電極E1の局部E1xに設けられた切り欠きV1は、電極E1の先端E1eまで延在している。
(まとめ)
以上説明したように、本変形例によれば、切り欠きV1は、電極E1の先端E1eまで延在している。そのため、気泡存在状況においても、気泡が、図6の位置P1から、切り欠きV1を介して、局部E1xの表面E1s(ワイヤボンド面)側へさらに容易に移動することができる。したがって、気泡が境界B2まで広がらない。そのため、電極E1(局部E1x)と放熱板11との間における絶縁性を十分に確保できる。
<変形例3>
以下においては、本変形例の構成を「構成Ctm3」ともいう。構成Ctm3は、切り欠きV1が特徴的な形状を有する構成である。構成Ctm3は、構成Ct1、構成Ctm1および構成Ctm2の全てまたは一部に適用される。
一例として、構成Ctm3が適用された構成Ct1(以下、「構成Ct1m3」ともいう)を、以下に示す。構成Ct1m3は、図3の構成に、構成Ctm3が適用されたものである。
図7は、変形例3に係る構成Ct1m3を有する半導体装置100の電極E1の局部E1xの周辺の断面図である。また、図7は、構成Ctm3が適用された切り欠きV1の形状を示す図でもある。以下においては、局部E1xのうち、切り欠きV1に接する面を、「内面E1sv」ともいう(図7参照)。
図7を参照して、構成Ct1m3では、局部E1xの内面E1svは、だれ面としての曲面Cr1を有する。気泡存在状況において、気泡が、曲面Cr1に沿って、局部E1xの表面E1s(ワイヤボンド面)側へ容易に移動できるように、曲面Cr1は構成される。曲面Cr1は、内面E1svの下部(一部)に相当する。
具体的には、構成Ct1m3では、切り欠きV1のうち、境界B1に近い部分程、当該部分の断面積が大きくなるように、当該切り欠きV1は構成されている。
(まとめ)
以上説明したように、本変形例によれば、局部E1xのうち、切り欠きV1に接する内面E1svは、だれ面としての曲面Cr1を有する。具体的には、切り欠きV1のうち、境界B1に近い部分程、当該部分の断面積が大きくなるように、当該切り欠きV1は構成されている。そのため、気泡存在状況において、気泡が、図7の位置P1から、曲面Cr1に沿って、局部E1xの表面E1s(ワイヤボンド面)側へさらに容易に移動することができる。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態、各変形例を自由に組み合わせたり、実施の形態、各変形例を適宜、変形、省略することが可能である。
4 封止材、10 基板、11 放熱板、100 半導体装置、Cs1 ケース、E1 電極、E1x 局部、S1 半導体素子、V1 切り欠き、W1 ワイヤ。

Claims (6)

  1. 封止材が充填されている領域を囲むケースを備え、
    前記ケースは、樹脂で構成されており、
    前記ケースには、電極が固定されており、
    前記電極は、前記領域に接触する、当該電極の一部である局部を有し、
    前記封止材が前記局部を少なくとも覆うように、当該封止材は設けられており、
    前記局部には、前記ケースを構成する前記樹脂の一部を前記領域に露出させる切り欠きが設けられており、
    前記切り欠きは、前記局部と前記ケースとの境界まで延在しており、
    前記切り欠きのうち、前記境界に近い部分程、当該部分の断面積が大きくなるように、当該切り欠きは構成されている
    半導体装置。
  2. 前記局部には、前記切り欠きを含む複数の切り欠きが設けられている
    請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記局部の形状は、長尺状であり、
    前記局部は、前記電極の先端を有し、
    前記切り欠きは、前記電極の先端まで延在している
    請求項1または2に記載の半導体装置。
  4. 前記局部は、平面視における、前記ケースの中央部に向かって、延在しており、
    前記半導体装置は、第1端および第2端を有するワイヤを備え、
    前記ワイヤの前記第1端は、前記局部の表面に接続されており、
    前記局部が延在している方向である特定方向において、前記第2端は前記第1端よりも、前記ケースの中央部に近く
    前記特定方向において、前記切り欠きは、前記第1端と前記第2端との間に存在する
    請求項1からのいずれか1項に記載の半導体装置。
  5. 前記ケースは、前記封止材が充填されている前記領域の下面に接触する放熱板に接着されており、
    前記放熱板は、金属で構成されている
    請求項1からのいずれか1項に記載の半導体装置。
  6. 前記封止材が充填されている前記領域には、半導体素子が実装されている基板が存在し、
    前記基板は、前記放熱板に接続されており、
    前記電極は、前記半導体素子または前記基板と電気的に接続されている
    請求項に記載の半導体装置。
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