JP7069848B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
本明細書が開示する技術は、半導体装置に関する。 The techniques disclosed herein relate to semiconductor devices.
特許文献1に、半導体装置が開示されている。この半導体装置は、半導体素子と、半導体素子に接続された放熱板と、放熱板に接合材を介して接合された電力端子と、を備える。 Patent Document 1 discloses a semiconductor device. This semiconductor device includes a semiconductor element, a heat radiating plate connected to the semiconductor element, and a power terminal bonded to the heat radiating plate via a joining material.
上記のような半導体装置では、電力端子が、接合材(例えば、はんだ又は導電性接着剤)に接触する接合エリアと、それに隣接する非接合エリアと、を有する。接合エリアと非接合エリアとの境界は、設計上定められており、半導体装置の製造段階では、流動性を有する接合材が、意図せず広範囲に広がることを防止する必要がある。 In a semiconductor device as described above, the power terminal has a bonding area in contact with a bonding material (for example, solder or a conductive adhesive) and a non-bonding area adjacent thereto. The boundary between the bonded area and the non-bonded area is defined by design, and it is necessary to prevent the bonded material having fluidity from unintentionally spreading over a wide area at the manufacturing stage of the semiconductor device.
本明細書に開示される半導体装置は、半導体素子と、前記半導体素子に接続された放熱板と、前記放熱板に接合材を介して接合された電力端子と、を備える。前記電力端子は、前記接合材に接触する接合エリアとそれに隣接する非接合エリアとの境界において、前記電力端子の厚み方向に屈曲する屈曲部が形成されている。 The semiconductor device disclosed in the present specification includes a semiconductor element, a heat sink connected to the semiconductor element, and a power terminal bonded to the heat sink via a bonding material. The power terminal is formed with a bent portion that bends in the thickness direction of the power terminal at a boundary between a joining area in contact with the joining material and a non-joining area adjacent to the joining area.
上記の構成によると、電力端子は、接合材に接触する接合エリアと、それに隣接する非接合エリアとの境界に、屈曲部を有する。この屈曲部は、接合部分の厚み方向に屈曲しているので、半導体装置の製造段階では、流動性を有する接合材が、屈曲部を超えて広がることが抑制される。これにより、接合エリアと非接合エリアとの意図された境界を越えて、接合材が過剰に広がることが防止され得る。 According to the above configuration, the power terminal has a bent portion at the boundary between the joining area in contact with the joining material and the non-joining area adjacent thereto. Since this bent portion is bent in the thickness direction of the joined portion, it is suppressed that the joining material having fluidity spreads beyond the bent portion at the manufacturing stage of the semiconductor device. This can prevent the joining material from spreading excessively beyond the intended boundary between the joining area and the non-joining area.
また、電力端子の屈曲部は、半導体装置の製造段階において曲げ加工などにより、容易に形成することができる。即ち、電力端子のうち接合エリアが占めるエリアを容易に変更することができる。このため、接合エリアを、放熱板の形状といった他の設計要件に容易に対応させることができ、それによって、放熱板と電力端子との間の接合面積を最大化させることができる。 Further, the bent portion of the power terminal can be easily formed by bending or the like at the manufacturing stage of the semiconductor device. That is, the area occupied by the junction area among the power terminals can be easily changed. Therefore, the joint area can be easily adapted to other design requirements such as the shape of the heat sink, thereby maximizing the joint area between the heat sink and the power terminal.
図面を参照して、実施例の半導体装置10について説明する。本実施例の半導体装置10は、例えば電気自動車、ハイブリッド車、燃料電池車といった電動自動車において、コンバータやインバータといった電力変換回路に用いることができる。但し、半導体装置10の用途は特に限定されない。半導体装置10は、様々な装置や回路に広く採用することができる。
The
図1、図2、図3に示すように、半導体装置10は、第1半導体素子20と、第2半導体素子40と、封止体12と、複数の外部接続端子14、15、16、18、19と、を備える。第1半導体素子20と第2半導体素子40は、封止体12の内部に封止されている。封止体12は、特に限定されないが、例えばエポキシ樹脂といった熱硬化性樹脂で構成されている。各々の外部接続端子14、15、16、18、19は、封止体12の外部から内部に亘って延びており、封止体12の内部で第1半導体素子20及び第2半導体素子40の少なくとも一方に電気的に接続されている。一例ではあるが、複数の外部接続端子14、15、16、18、19には、電力用であるP端子14、N端子15及びO端子16と、信号用である複数の第1信号端子18及び複数の第2信号端子19が含まれる。
As shown in FIGS. 1, 2, and 3, the
図3に示すように、第1半導体素子20は、上面電極20aと、下面電極20bと、を有する。上面電極20aは、第1半導体素子20の上面に位置しており、下面電極20bは、第1半導体素子20の下面に位置している。第1半導体素子20は、上下一対の電極20a、20bを有する縦型の半導体素子である。同様に、第2半導体素子40は、上面電極40aと下面電極40bとを有する。上面電極40aは第2半導体素子40の上面に位置しており、下面電極40bは第2半導体素子40の下面に位置する。即ち、第2半導体素子40についても、上下一対の電極40a、40bを有する縦型の半導体素子である。本実施例における第1半導体素子20と第2半導体素子40は、互いに同種の半導体素子であり、詳しくはIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)とダイオードとを内蔵するRC-IGBT(Reverse Conducting IGBT)素子である。
As shown in FIG. 3, the
但し、第1半導体素子20と第2半導体素子40の各々は、RC-IGBT素子に限定されず、例えばMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)素子といった他のパワー半導体素子であってもよい。あるいは、第1半導体素子20と第2半導体素子40の各々は、ダイオード素子とIGBT素子(又はMOSFET素子)といった二以上の半導体素子に置き換えられてもよい。第1半導体素子20と第2半導体素子40の具体的な構成は特に限定されず、各種の半導体素子を採用することができる。この場合、第1半導体素子20と第2半導体素子40は、互いに異種の半導体素子であってもよい。また、第1半導体素子20と第2半導体素子40の各々は、例えばシリコン(Si)、炭化ケイ素(SiC)、又は窒化ガリウム(GaN)といった各種の半導体材料を用いて構成されることができる。第1半導体素子20の上面電極20a及び下面電極20bを構成する材料には、特に限定されないが、例えばアルミニウム系又はその他の金属を採用することができる。同様に、第2半導体素子40の上面電極40a及び下面電極40bを構成する材料には、特に限定されないが、例えばアルミニウム系又はその他の金属を採用することができる。
However, each of the
半導体装置10は、第1上側放熱板22と、第1導体スペーサ24と、第1下側放熱板26と、をさらに備える。第1導体スペーサ24は、例えば銅又はその他の金属といった導電性を有する材料を用いて構成されている。第1導体スペーサ24は、概して板形状あるいはブロック形状の部材であり、上面24aと、上面24aとは反対側に位置する下面24bと、を有する。第1導体スペーサ24は封止体12内に位置している。第1導体スペーサ24の上面24aは、第1上側放熱板22にはんだ層23を介して接合されている。第1導体スペーサ24の下面24bは、第1半導体素子20の上面電極20aにはんだ層25を介して接合されている。即ち、第1導体スペーサ24は、第1半導体素子20に電気的に接続されている。第1導体スペーサ24は、必ずしも必要とされないが、第1信号端子18を第1半導体素子20に接続する際のスペースを確保する。
The
第1上側放熱板22及び第1下側放熱板26は、例えば銅、アルミニウム又はその他の金属といった熱伝導性に優れた材料で構成されている。第1上側放熱板22は、概して直方体形状又は板形状の部材であり、上面22aと、上面22aとは反対側に位置する下面22bと、を有する。第1上側放熱板22の上面22aは、封止体12の上面12aにおいて外部に露出されている。また、第1上側放熱板22の下面22bは、前述した第1導体スペーサ24の上面24aにはんだ層23を介して接合されている。即ち、第1上側放熱板22は第1導体スペーサ24を介して第1半導体素子20と電気的及び熱的に接続されている。これにより、第1上側放熱板22は、半導体装置10の電気回路の一部を構成するだけでなく、第1半導体素子20の熱を外部に放出する放熱板としても機能する。
The first
第1下側放熱板26は、概して直方体形状又は板形状の部材であり、上面26aと、上面26aとは反対側に位置する下面26bと、を有する。第1下側放熱板26の下面26bは、封止体12の下面12bにおいて外部に露出されている。また、第1下側放熱板26の上面26aは、第1半導体素子20の下面電極20bにはんだ層27を介して接合されている。即ち、第1下側放熱板26は、第1半導体素子20と電気的及び熱的に接続されている。これにより、第1下側放熱板26においても半導体装置10の電気回路の一部を構成するだけでなく、第1半導体素子20の熱を外部に放出する放熱板としても機能する。このように、本実施例の半導体装置10は、封止体12の両面12a、12bに第1上側放熱板22及び第1下側放熱板26が露出される両面冷却構造を有する。
The first
また、半導体装置10は、第2上側放熱板42と、第2導体スペーサ44と、第2下側放熱板46と、をさらに備える。第2導体スペーサ44は、例えば銅又はその他の金属といった導電性を有する材料を用いて構成されている。第2導体スペーサ44は、概して板形状あるいはブロック形状の部材であり、上面44aと、上面44aとは反対側に位置する下面44bと、を有する。第2導体スペーサ44は封止体12内に位置している。第2導体スペーサ44の上面44aは、第2上側放熱板42にはんだ層43を介して接合されている。第2導体スペーサ44の下面44bは、第2半導体素子40の上面電極40aにはんだ層45を介して接合されている。即ち、第2導体スペーサ44は、第2半導体素子40に電気的に接続されている。第2導体スペーサ44は、必ずしも必要とされないが、第2信号端子19を第2半導体素子40に接続する際のスペースを確保する。
Further, the
第2上側放熱板42及び第2下側放熱板46は、例えば銅、アルミニウム又はその他の金属といった熱伝導性に優れた材料で構成されている。第2上側放熱板42は、概して直方体形状又は板形状の部材であり、上面42aと、上面42aとは反対側に位置する下面42bと、を有する。第2上側放熱板42の上面42aは、封止体12の上面12aにおおいて外部に露出されている。また、第2上側放熱板42の下面42bは、前述した第2導体スペーサ44の上面44aにはんだ層43を介して接合されている。即ち、第2上側放熱板42は第2導体スペーサ44を介して第2半導体素子40と電気的及び熱的に接続されている。これにより、第2上側放熱板42は、半導体装置10の電気回路の一部を構成するだけでなく、第2半導体素子40の熱を外部に放出する放熱板としても機能する。
The second
第2下側放熱板46は、概して直方体形状又は板形状の部材であり、上面46aと、上面46aとは反対側に位置する下面46bと、を有する。第2下側放熱板46の下面46bは、封止体12の下面12bにおいて外部に露出されている。また、第2下側放熱板46の上面46aは、第2半導体素子40の下面電極40bにはんだ層47を介して接合されている。即ち、第2下側放熱板46は、第2半導体素子40と電気的及び熱的に接続されている。これにより、第2下側放熱板46においても半導体装置10の電気回路の一部を構成するだけでなく、第2半導体素子40の熱を外部に放出する放熱板としても機能する。このように、本実施例の半導体装置10は、封止体12の両面12a、12bに第2上側放熱板42及び第2下側放熱板46が露出される両面冷却構造を有する。第2下側放熱板46は、第1上側継手部22c及び第2下側継手部46cを介して、第1上側放熱板22に接続されている。
The second
上述したように、半導体装置10は、外部接続端子として、P端子14、N端子15及びO端子16を備える。本実施例におけるP端子14、N端子15及びO端子16は、銅で構成されている。但し、P端子14、N端子15及びO端子16は、銅に限定されず、他の導体で構成されてもよい。P端子14は、封止体12の内部において、第1下側放熱板26の上面26aに接続されている。N端子15は、封止体12の内部において、第2上側放熱板42の下面42bに接続されている。そして、O端子16は、第2下側放熱板46の上面46aに接続されている。一例ではあるが、P端子14及びO端子16は、それぞれ第1下側放熱板26及び第2下側放熱板46に一体に形成されている。但し、P端子14及びO端子16の一方又は両方は、それぞれ第1下側放熱板26及び第2下側放熱板46に例えば溶接によって接合されてもよい。また、N端子15は、後述するが、第2上側放熱板42の第2上側継手部42cにはんだ付けによって接合されている。半導体装置10は外部接続端子として、複数の第1信号端子18及び複数の第2信号端子19もまた備える。本実施例における複数の信号端子18、19は、第1半導体素子20及び第2半導体素子40に、それぞれ、ボンディングワイヤ18a、19aによって接続されている。
As described above, the
図2、図3に示すように、半導体装置10の第1上側放熱板22は、導体で構成された第1上側継手部22cをさらに有する。同様に第2下側放熱板46は、導体で構成された第2下側継手部46cをさらに有する。第1上側継手部22c及び第2下側継手部46cは、封止体12の内部に位置している。第1上側放熱板22の第1上側継手部22cは、第2下側放熱板46の第2下側継手部46cにはんだ層50を介して接合されている。即ち、第1上側継手部22c及び第2下側継手部46cは、第1上側放熱板22と第2下側放熱板46との間を電気的に接続している。これにより、第1半導体素子20と第2半導体素子40は、第1上側継手部22c及び第2下側継手部46cを介して直列に接続される。第1上側継手部22c及び第2下側継手部46cは、例えば銅で構成されることができる。第1上側継手部22cと第1上側放熱板22とは、一体に形成されていてもよいし、互いに接合されていてもよい。この場合の接合手法は、特に限定されず、例えば溶接によって接合されていてもよい。同様に、第2下側継手部46cの第2下側放熱板46とは、一体に形成されていてもよいし、互いに接合されていてもよい。この場合の接合手法においても、特に限定されず、例えば溶接によって接合されていてもよい。
As shown in FIGS. 2 and 3, the first
図2、図3に示すように、第1上側放熱板22の下面22bには、はんだ層23を取り囲むようにはんだ吸収溝22dが設けられている。このはんだ吸収溝22dにより、第1導体スペーサ24と第1上側放熱板22とをはんだ付けする際に、余剰なはんだは収容され、意図しない範囲まではんだが濡れ広がることを防止することができる。同様に、第2上側放熱板42の下面42bには、はんだ層43を取り囲むようにはんだ吸収溝42dが設けられている。このはんだ吸収溝42dにより、第2導体スペーサ44と第2上側放熱板42とをはんだ付けする際に、余剰なはんだは収容され、意図しない範囲まで濡れ広がることを防止することができる。一例ではあるが、本実施例の半導体装置10では、第1上側放熱板22と第2上側放熱板42とに、同じ形状の部材が採用されている。
As shown in FIGS. 2 and 3, a
第1上側放熱板22では、第1上側継手部22cにも、はんだ吸収溝22eが設けられている。はんだ吸収溝22eは、第2下側継手部46cとの間に位置するはんだ層50を取り囲むように設けられている。このはんだ吸収溝22eにより、第1上側継手部22cと第2下側継手部46cとをはんだ付けする際に、余剰なはんだは収容され、意図しない範囲まではんだが濡れ広がることを防止することができる。
In the first
図2、図4、図5に示すように、半導体装置10の第2上側放熱板42は、導体で構成された第2上側継手部42cをさらに有しており、N端子15にはんだ層60を介して接続されている。第2上側継手部42cは、例えば銅で構成されることができる。第2上側継手部42cと第2上側放熱板42とは、一体に形成されている。但し、第2上側継手部42cと第2上側放熱板42とは、溶接などによって、互いに接合されていてもよい。
As shown in FIGS. 2, 4, and 5, the second
第2上側放熱板42の第2上側継手部42cには、はんだ吸収溝42eが設けられている。このはんだ吸収溝42eは、N端子15との間に位置するはんだ層60を取り囲むように設けられている。このはんだ吸収溝42eにより、第2上側放熱板42の第2上側継手部42cとN端子15とをはんだ付けする際に、余剰なはんだは収容され、意図しない範囲まで濡れ広がることを防止することができる。
A
N端子15は、はんだ層60と接触している領域である接合エリアS1と、それに隣接する領域である非接合エリアS2と、を備える。また、N端子15は、Z方向における厚み寸法の大きさが厚みt1である厚板区間と、Z方向における厚み寸法の大きさが厚みt1よりも小さい厚みt2である薄板区間と、で構成される。接合エリアS1は、厚板区間と薄板区間との両者に跨って形成されており、非接合エリアS2は、薄板区間にのみ形成されている。N端子15は、薄板区間であり、接合エリアS1と非接合エリアS2との境界Bにおいて、N端子15がZ方向に屈曲している屈曲部15aを有する。屈曲部15aは、はんだ吸収溝42eの下側に位置している。
The
上記の構成によると、N端子15は、はんだ層60に接触する接合エリアS1とそれに隣接する非接合エリアS2との境界Bに、屈曲部15aを有する。この屈曲部15aは、N端子15のZ方向に屈曲しているので、半導体装置10の製造段階では、流動性を有するはんだ層60が、屈曲部15aを超えて濡れ広がることが抑制される。即ち、N端子15の屈曲部15a及び第2上側放熱板42の第2上側継手部42cによって、製造段階におけるはんだ層60の濡れ広がりは抑制される。これにより、接合エリアS1と非接合エリアS2との意図された境界Bを越えて、はんだ層50が過剰に濡れ広がることが防止される。
According to the above configuration, the
また、屈曲部15aは、半導体装置10の製造段階において曲げ加工などにより、容易に形成することができる。即ち、屈曲部15aが形成される位置を変更することで、N端子15のうち接合エリアS1が占めるエリアを容易に変更することができる。このため、接合エリアS1を、第2上側放熱板42の第2上側継手部42cの形状に対応させ、第2上側放熱板42とN端子15との間の接合面積を最大化させることができる。例えば、本実施例でが、屈曲部15aが第2上側放熱板42の第2上側継手部42cのはんだ吸収溝42eの下側に位置されるように、屈曲部15aの位置を容易に調整することができる。これにより、N端子15の屈曲部15a及び第2上側放熱板42の第2上側継手部42cによって、製造段階におけるはんだ層60の濡れ広がりはさらに抑制される。
Further, the
また、本実施例では、厚み寸法が厚みt2の薄板区間に屈曲部15aが設けられている。このため、屈曲部15aを厚み寸法が厚みt1の厚板区間に形成する場合と比較して、屈曲部15aをより容易に形成することができる。従って、例えば、はんだ吸収溝42eの位置が変更されても、N端子15における屈曲部15aの位置を変更後のはんだ吸収溝42eの位置に容易に対応させることができる。従って、第2上側放熱板42とN端子15との間の接合面積を容易に最大化させることができる。
Further, in this embodiment, the
なお、第2上側放熱板42とN端子15との間の接合面積が大きいほど、第1半導体素子20の発熱時に、N端子15に生じる熱応力は大きくなる。この点に関して、N端子15に屈曲部15aが設けられていると、この熱応力を屈曲部15aによって緩和することができる。従って、第2上側放熱板42とN端子15との間の接合面積を最大化させても、半導体装置10の信頼性が低下することを防止することができる。
The larger the joint area between the second
上述したように、N端子15における屈曲部15aの位置を変更することで、はんだ層60による接合面積を調整することができる。ここで、はんだ層60による接合面積を大きくするほど、屈曲部15aの位置は、N端子15の長手方向に沿って封止体12の外表面(即ち、封止体12の外部)に近づいていく。この場合、封止体12の外表面から、はんだ層60による接合部分までの距離が短くなるので、外部からN端子15に加えられた振動が、はんだ層60による接合部分まで伝わりやすくなる。はんだ層60による接合部分に、外部からの振動が伝わりやすくなると、例えば、はんだ層60にクラックが生じるといった信頼性の低下が懸念される。しかしながら、N端子15に屈曲部15aが設けられていると、この振動を屈曲部15aによって緩和することができる。従って、N端子15に屈曲部15aを設けることで、はんだ層60による接合面積を大きくしながら、半導体装置10の信頼性が低下することを防止することができる。
As described above, the joining area of the
(対応関係)
第1下側放熱板26、はんだ層60、N端子15が、それぞれ、「放熱板」、「接合材」、「電力端子」の一例である。Z方向が、「厚み方向」の一例である。
(Correspondence)
The first
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。また、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。 Although specific examples of the present invention have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of claims. The techniques described in the claims include various modifications and modifications of the specific examples exemplified above. Further, the technical elements described in the present specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the techniques exemplified in the present specification or the drawings can achieve a plurality of purposes at the same time, and achieving one of the purposes itself has technical usefulness.
10 :半導体装置
12 :封止体
14 :P端子
15 :N端子
15a :屈曲部
16 :O端子
18、19 :信号端子
20、40 :第1半導体素子
22 :第1上側放熱板
22c :第1上側継手部
22e :第1上側継手部のはんだ吸収溝
23、25、27、43、45、47、50、60 :はんだ層
24 :導体スペーサ
26 :第1下側放熱板
40 :第2半導体素子
42 :第2上側放熱板
42c :第2上側継手部
42e :第2上側継手部のはんだ吸収溝
46 :第2下側放熱板
46c :第2下側継手部
B :境界
S1 :接合エリア
S2 :非接合エリア
10: Semiconductor device 12: Encapsulant 14: P terminal 15:
Claims (1)
半導体素子と、
前記半導体素子に接続された放熱板と、
前記放熱板に接合材を介して接合された電力端子と、を備え、
前記電力端子は、前記接合材に接触する接合エリアとそれに隣接する非接合エリアとの境界において、前記電力端子の厚み方向に屈曲する屈曲部が形成されており、
前記電力端子は、前記厚み方向の寸法の大きさが第1の厚みである厚板区間と、前記厚み方向の寸法の大きさが前記第1の厚みよりも小さい第2の厚みである薄板区間と、を有しており、
前記接合エリアは、前記厚板区間と前記薄板区間との両者に跨っており、
前記非接合エリアは、前記薄板区間に位置しており、
前記境界は、前記薄板区間に位置している、
半導体装置。 It ’s a semiconductor device,
With semiconductor devices
A heat sink connected to the semiconductor element and
A power terminal bonded to the heat sink via a bonding material is provided.
The power terminal has a bent portion that bends in the thickness direction of the power terminal at the boundary between the joining area in contact with the joining material and the non-joining area adjacent to the joining area.
The power terminal has a thick plate section in which the size of the dimension in the thickness direction is the first thickness and a thin plate section in which the size of the dimension in the thickness direction is a second thickness smaller than the first thickness. And have,
The joint area straddles both the thick plate section and the thin plate section.
The non-joining area is located in the thin plate section.
The boundary is located in the thin plate section,
Semiconductor device.
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