JP7095641B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、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。この半導体装置は、一方の表面に第１電極と第２電極とを有する半導体素子と、第１電極に接合層を介して接合された第１導体部材と、第２電極に接合層を介して接合された第２導体部材とを備える。

特開平１１－０４０７２８号公報

上記した半導体装置の製造時には、第１導体部材と第２導体部材とが一体の部品で用意され、半導体素子上に二つの部材を同時に接合するといった手法が用いられることがある。しかしながら、二つの導体部材を半導体素子に同時に接合すると、各々の導体部材と半導体素子とを正しい姿勢や位置で接合できないことがある。この場合、それらの間の接合不良だけでなく、例えば半導体素子における短絡や絶縁不良といった不具合を招くおそれがある。本明細書では、このような課題を解決又は少なくとも低減し得る技術を提供する。

本明細書が開示する半導体装置は、一方の表面に第１電極と第２電極とを有する半導体素子と、第１電極に接合層を介して接合された第１導体部材と、第２電極に接合層を介して接合された第２導体部材とを備える。第１電極には、各々が第１導体部材に向かって突出するとともに、第１導体部材に接する少なくとも三つの第１突出部が設けられている。第２電極には、第２導体部材に向かって突出する第２突出部が設けられている。第２導体部材には、第２突出部を受け入れる凹部が設けられている。第２突出部の頂部は、凹部の内部に位置するとともに、凹部の底面から離間している。

上記した半導体装置では、半導体素子の一方の表面に、第１電極及び第２電極が設けられている。従って、半導体装置の製造段階では、第１導体部材及び第２導体部材を一体の部材で用意し、それらを半導体素子の第１電極及び第２電極へ同時に接合することができる。このとき、第１電極に設けられた複数の第１突出部が、第１導体部材に対して接することによって、第１導体部材及び第２導体部材に対する半導体素子の姿勢が定まる。さらに、第２電極に設けられた第２突出部が、第２導体部材に設けられた凹部に受け入れられることで、第１導体部材及び第２導体部材に対する半導体素子の位置も定まる。なお、第２突出部の頂部は、凹部の底面から離間しており、第２導体部材の底面と直接的に接することがない。このような構成によると、第２突出部と第２導体部材との間の接触によって、第１電極の第１突出部と第１導体部材との間の接触が阻害され、半導体素子の姿勢が乱されるといったことがない。

実施例の半導体装置１０の外観を示す平面図。 半導体装置１０の内部構造を示す平面図。内部構造を明確に示すために、封止体２０は破線で示す。 図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線における断面図であって、半導体装置１０の内部構造を示す。 図３のＩＶ部における拡大図。信号パッド１２ｃ及び第２突出部１６の構成を明確に示すために、封止体２０及び信号端子２６の図示は省略する。 リードフレーム２と半導体素子１２とを用意する工程を示す図。 リードフレーム２と半導体素子１２とをはんだ付けする工程を示す図。

図面を参照して、実施例の半導体装置１０及びその製造方法について説明する。半導体装置１０は、電力制御装置に採用され、例えばインバータやコンバータといった電力変換回路の一部を構成することができる。ここでいう電力制御装置は、例えば電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池車等に搭載される。

図１～３に示すように、半導体装置１０は、半導体素子１２、下側放熱板２２、上側放熱板２４、複数の電力端子２３、２５、複数の信号端子２６及び封止体２０を備える。半導体素子１２は、封止体２０の内部に封止されている。封止体２０は、例えばエポキシ樹脂といった絶縁性を有する材料を用いて構成されている。信号端子２６は、封止体２０から外部に向かって突出して延びている。複数の電力端子２３、２５及び複数の信号端子２６は、封止体２０の内部において、半導体素子１２と電気的に接続されている。

半導体素子１２は、パワー半導体素子であって、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）又はＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。但し、半導体素子の数や種類については、特に限定されない。半導体素子１２を構成する材料には、例えばケイ素（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）又は他の種類の半導体材料を採用することができる。

半導体素子１２は、一対の主電極１２ａ、１２ｂと、複数の信号パッド１２ｃを有する。一対の主電極１２ａ、１２ｂには、第１主電極１２ａと第２主電極１２ｂとが含まれている。第１主電極１２ａ及び信号パッド１２ｃは、半導体素子１２の一方の表面に位置しており、第２主電極１２ｂは、半導体素子１２の他方の表面に位置している。信号パッド１２ｃは、第１主電極１２ａに対して比較的に小さいサイズで設けられている。信号パッド１２ｃの数に応じて、複数の信号端子２６が設けられており、信号パッド１２ｃは信号端子２６に接続されている。ここで、第１主電極１２ａは、本明細書が開示する技術における第１電極の一例であり、信号パッド１２ｃは、本明細書が開示する技術における第２電極の一例である。

また、第１主電極１２ａには、複数の第１突出部１４が設けられている。各々の第１突出部１４は、上側放熱板２４に向かって突出しており、上側放熱板２４に接している。複数の第１突出部１４が上側放熱板２４に接することで、半導体素子１２と上側放熱板２４との相対的な姿勢が安定する。一方、各々の信号パッド１２ｃには、第２突出部１６がそれぞれ設けられている。第２突出部１６は、信号端子２６に向かって突出する。なお、第１突出部１４及び第２突出部１６の具体的な形状は特に限定されない。ここで、上側放熱板２４は、本明細書が開示する技術における第１導体部材の一例であり、信号端子２６は、本明細書が開示する技術における第２導体部材の一例である。

一対の主電極１２ａ、１２ｂと、信号パッド１２ｃと、第１突出部１４及び第２突出部１６とは、ニッケル系又は他の金属といった導体材料を用いて構成されている。ここでいうニッケル系金属は、純ニッケル又はニッケルを主成分とした合金を示す。但し、第１突出部１４及び第２突出部１６を構成する材料は、これに限定されない。特に、第１突出部１４及び第２突出部１６を構成する材料は、接合材(本実施例では、はんだ)を構成する材料の融点より高い材料を含む。第１突出部１４及び第２突出部１６は、第１主電極１２ａ及び信号パッド１２ｃと同一の材料を用いて構成されていてもよいし、異なる材料を用いて構成されていてもよい。

半導体装置１０は、下側放熱板２２と上側放熱板２４を備える。放熱板２２，２４は、概して直方体形状の部材であり、例えば、銅又は他の金属といった導体材料を用いて構成されている。下側放熱板２２は、第１主表面２２ａと、第１主表面２２ａの反対側に位置する第２主表面２２ｂを有する。下側放熱板２２の第１主表面２２ａは、半導体素子１２の第２主電極１２ｂにはんだ層３２を介して接合される。従って、下側放熱板２２は、半導体素子１２と電気的に接続される。下側放熱板２２の第２主表面２２ｂは、封止体２０の一方の面において露出される。

上側放熱板２４も、下側放熱板２２と同様に、第１主表面２４ａと、第１主表面２４ａの反対側に位置する第２主表面２４ｂを有する。上側放熱板２４には、第２主表面２４ｂから突出するスペーサ部２４ｃが設けられている。この点に関して、上側放熱板２４は、下側放熱板２２とは異なる。上側放熱板２４の第２主表面２４ｂは、半導体素子１２の第１主電極１２ａにはんだ層３４を介して接合される。従って、上側放熱板２４は、半導体素子１２と電気的に接続される。上側放熱板２４の第１主表面２４ａは、封止体２０の他方の面において露出される。以上より、下側放熱板２２及び上側放熱板２４は、半導体素子１２で発生する熱を放出する放熱板として機能する。ここで、はんだ層３２は、本明細書が開示する技術における接合層の一例である。但し、接合層ははんだ層に限定されず、他の導電性を有する接合層であってよい。同様に、はんだ層３４についても、はんだ層に限定されず、他の導電性を有する接合層であってよい。

上側放熱板２４は、上記したものに限定されない。例えば、上側放熱板２４は、スペーサ部２４ｃを必ずしも必要としない。この場合、半導体装置１０は、上側放熱板２４のスペーサ部２４ｃに代えて、上側放熱板２４と半導体素子１２との間に、別体の導体スペーサを有してもよい。上側放熱板２４のスペーサ部２４ｃ又は導体スペーサによって、上側放熱板２４と半導体素子１２との間に、信号端子２６を信号パッド１２ｃに接合するスペースを必要に応じて設けることができる。

なお、下側放熱板２２には第１電力端子２３が電気的に接続されており、上側放熱板２４には第２電力端子２５が電気的に接続されている。第１電力端子２３及び第２電力端子２５は、例えば銅又は他の金属を用いて構成されている。下側放熱板２２及び第１電力端子２３との間、且つ、上側放熱板２４及び第２電力端子２５との間は、例えば溶接等によって接続されている。

信号端子２６は、概して細長い板形状の部材である。信号端子２６は、一端２６ａと、信号端子２６の長手方向において一端２６ａの反対側に位置する他端２６ｂを有する。信号端子２６は、信号パッド１２ｃと部分的に対向している。信号端子２６は、例えば銅又は他の金属といった導体材料を用いて構成されており、信号パッド１２ｃの第２突出部１６とはんだ層３６を介して接合されている。特に、本実施例の信号端子２６の一端２６ａには、信号パッド１２ｃの第２突出部１６に対向して凹部２６ｃが設けられている。この凹部２６ｃは、信号パッド１２ｃの第２突出部１６を受け入れるように構成されている。従って、信号端子２６の凹部２６ｃは、第２突出部１６とはんだ層３６を介して接合されている。このとき、第２突出部１６の頂部１６ｃは、凹部２６ｃの底面２６ｄから離間している。ここで、はんだ層３６は、本明細書が開示する技術における接合層の一例である。接合層は、はんだ層に限定されず、他の導電性を有する接合層であってよい。

上記した半導体装置１０では、半導体素子１２の一方の表面に、第１主電極１２ａ及び信号パッド１２ｃが設けられている。従って、半導体装置１０の製造段階では、上側放熱板２４及び複数の信号端子２６を一体の部材（例えば、リードフレーム）で用意し、それらを半導体素子１２の第１主電極１２ａ及び信号パッド１２ｃへ同時に接合することができる。しかしながら、このように複数の導体部材を半導体素子１２に同時に接合する場合に、各々の導体部材と半導体素子１２とを正しい姿勢や位置で接合できないことがある。この場合、それらの間の接合不良だけでなく、例えば半導体素子１２における短絡や絶縁不良といった不具合を招くおそれがある。

本実施例の半導体装置１０では、第１主電極１２ａに設けられた複数の第１突出部１４が、上側放熱板２４に対して接することによって、上側放熱板２４及び複数の信号端子２６に対する半導体素子１２の姿勢が定まる。さらに、信号パッド１２ｃに設けられた第２突出部１６が、信号端子２６に設けられた凹部２６ｃに受け入れられることで、上側放熱板２４及び信号端子２６に対する半導体素子１２の位置も定まる。なお、第２突出部１６の頂部１６ｃは、凹部２６ｃの底面２６ｄから離間しており、信号端子２６の底面と直接的に接することがない。このような構成によると、第２突出部１６と信号端子２６との間の接触によって、第１主電極１２ａの第１突出部１４と上側放熱板２４との間の接触が阻害され、半導体素子１２の姿勢が乱されるといったことがない。これにより、第１主電極１２ａと上側放熱板２４との間には、はんだ層３４が意図された厚みで均一に形成され、半導体装置１０の製造品質は向上する。

なお、図４に示すように、信号パッド１２ｃは、半導体素子１２の一方の表面に設けられている。それに加えて、半導体素子１２は、一方の表面に保護膜１８も備えている。保護膜１８は絶縁性を有する樹脂材料であって、例えばポリイミドなどを用いて構成される。保護膜１８は、半導体素子１２の耐圧を維持する機能、及び半導体素子１２に異物が接触することを防止する機能を有する。保護膜１８は、半導体素子１２の外周縁に沿って枠状に伸びており、第１主電極１２ａ及び複数の信号パッド１２ｃの周囲を取り囲んでいる。第２突出部１６は、この保護膜１８に取り囲まれた信号パッド１２ｃ上に設けられている。

第２突出部１６は、第１の金属１６ａを用いて構成されている。第１の金属１６ａを構成する材料は特に限定されないが、第１の金属１６ａを構成する材料の融点は、半導体素子１２に信号端子２６を接合する接合材（本実施例でははんだ）の融点よりも高い。また、第２突出部１６は、第１の金属１６ａに加え、第１の金属１６ａを覆う第２の金属１６ｂを用いて構成されていてもよい。この場合、第２の金属１６ｂを構成する材料の融点は、半導体素子１２に信号端子２６を接合する接合材（本実施例でははんだ）の融点以下であってもよい。半導体素子１２に信号端子２６を接合する時に、第１の金属１６ａは溶融しないため、第２突出部１６が大きく変形することはない。なお、第１突出部１４についても、第２突出部１６と同様に構成されている。第１突出部１４は、第３の金属を用いて構成されている。第３の金属を構成する材料は、半導体素子１２に上側放熱板２４を接合する接合材（本実施例でははんだ）の融点よりも高い。これに加えて、第３の金属を覆う第４の金属を用いて構成されていてもよい。第３の金属を構成する材料の融点は、半導体素子１２に上側放熱板２４を接合する接合材（本実施例でははんだ）の融点以下であってもよい。

図５、６を参照して、半導体装置１０の製造方法について説明する。特に、ここでは、半導体素子１２を上側放熱板２４及び信号端子２６に組み付ける工程について述べる。先ず、図５に示すように、第１主電極１２ａに複数の第１突出部１４が設けられており、信号パッド１２ｃに第２突出部１６が設けられた半導体素子１２を用意する。それと併せて、上側放熱板２４及び信号端子２６も用意する。ここで、上側放熱板２４及び信号端子２６は、各々が一体に形成された一つの部品（リードフレーム２）として用意されていてもよい。

次いで、用意した半導体素子１２をリードフレーム２上の所定の位置に配置する。このとき、第１主電極１２ａに設けられた複数の第１突出部１４が、上側放熱板２４に対して接することによって、上側放熱板２４及び複数の信号端子２６に対する半導体素子１２の姿勢が定まる。さらに、信号パッド１２ｃに設けられた第２突出部１６が、信号端子２６に設けられた凹部２６ｃに受け入れられることで、上側放熱板２４及び信号端子２６に対する半導体素子１２の位置も定まる。従って、半導体素子１２の表面に平行な方向及び、半導体素子１２の厚み方向において、上側放熱板２４及び信号端子２６に対する半導体素子１２が正確に位置決めされる。上側放熱板２４の第２主表面２４ｂと半導体素子１２の第１主電極１２ａとの間、及び信号端子２６の凹部２６ｃと半導体素子１２の信号パッド１２ｃとの間には、例えばシート形状のはんだが介挿される。なお、ここで用意された上側放熱板２４及び信号端子２６上には、予備はんだが溶融して配置されていてもよい。

図６に示すように、各構成部材を配置した後、半導体素子１２をリードフレーム２にはんだ付けする。リードフレーム２と半導体素子１２上に介挿されたはんだは、例えばリフロー炉等によって、加熱し、溶融される。これにより、半導体素子１２の主電極１２ａが、上側放熱板２４の第２主表面２４ｂにはんだ層３４を介して接合され、半導体素子１２の信号パッド１２ｃの第２突出部１６が、信号端子２６の凹部２６ｃにはんだ層３６を介して接合される。

なお、リードフレーム２と、半導体素子１２の第１突出部１４及び第２突出部１６とは、下式の関係を満たすように構成されている（図５参照）。ここで、第１突出部１４の高さ寸法に対する第２突出部１６の高さ寸法の差分をＨａとする。また、信号端子２６から見た上側放熱板２４の第２主表面２４ｂの高さ位置をＨｂ、信号端子２６の凹部２６ｃの深さ寸法をＨｃとする。
Ｈｂ ＜ Ｈａ ＜ Ｈｂ＋Ｈｃ
このような関係が満たされると、半導体素子１２とリードフレーム２とを接合する際に、第２突出部１６の頂部１６ｃは、凹部２６ｃ内へ確実に配置される一方で、凹部２６ｃの底面２６ｄからは離間する。即ち、第２突出部１６の頂部１６ｃが、信号端子２６の底面と直接的に接することがない。これにより、第２突出部１６と信号端子２６との間の接触によって、第１主電極１２ａの第１突出部１４と上側放熱板２４との間の接触が阻害され、半導体素子１２の姿勢が乱されるといった事態を避けることができる。

以上の工程により、リードフレーム２に半導体素子１２が組み付けされる。上記の製造方法により、リードフレーム２に対して半導体素子１２を正しい姿勢や位置で接合することができる。リードフレーム２と半導体素子１２との間には、はんだ層３４、３６が意図された厚みや形状で正しく形成されるので、半導体装置１０の製造品質が向上する。但し、この製造方法は一例であり、特別に限定されるものではない。なお、他の製造工程については、従来の技術を用いて製造することができる。

本実施例の半導体装置１０では、半導体素子１２の第１主電極１２ａは、四つの第１突出部１４を有している。但し、これに限定されず、半導体素子１２の第１主電極１２ａは、三又は五以上の第１突出部１４を有していてもよい。半導体素子１２と上側放熱板２４との相対的な姿勢は、同一直線上に位置しない三つの第１突出部１４によって定めることができる。従って、半導体素子１２の第１主電極１２ａには、少なくとも三つの第１突出部１４が設けられているとよい。

以上、本明細書が開示する技術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、又は、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、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。本明細書又は図面に例示した技術は、複数の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。

１０：半導体装置
１２：半導体素子
１２ａ、１２ｂ：主電極
１２ｃ：信号パッド
１４：第１突出部
１６：第２突出部
１６ａ：第１の金属
１６ｂ：第２の金属
１６ｃ：頂部
２２、２４：放熱板
２３、２５：電力端子
２６：信号端子
２６ａ：一端
２６ｂ：他端
２６ｃ：凹部
２６ｄ：底面
２０：封止体
３２、３４、３６：はんだ層

Claims (1)

1. 一方の表面に第１電極と第２電極とを有する半導体素子と、
   前記第１電極に接合層を介して接合された第１導体部材と、
   前記第２電極に接合層を介して接合された第２導体部材と、
   を備え、
   前記第１電極には、各々が前記第１導体部材に向かって突出するとともに、前記第１導体部材に接する少なくとも三つの第１突出部が設けられており、
   前記第２電極には、前記第２導体部材に向かって突出する第２突出部が設けられており、
   前記第２導体部材には、前記第２突出部を受け入れる凹部が設けられており、
   前記第２突出部の頂部は、前記凹部の内部に位置するとともに、前記凹部の底面から離間している、
   半導体装置。

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