JP7215402B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置に関するものである。

半導体素子で発生する熱を放熱しやすくすべく金属ベース基板を用いて半導体素子を実装する技術が知られている（例えば、特許文献１）。具体的構成の一例を図５に示す。図５において、ヒートシンク１００上に金属ベース基板１１０が配置されている。金属ベース基板１１０は、アルミ製の金属板１１１の上に絶縁層１１２を介して銅製の導体パターン１１３，１１４が形成され、導体パターン１１３，１１４はレジスト層である絶縁層１１５で被覆されている。金属ベース基板１１０に半導体素子１２０が導体パターン１１３，１１４と電気的に接続された状態で実装されている。これにより半導体素子１２０を通して電流ｉ１１が金属ベース基板１１０の導体パターン１１３，１１４を介して流れるとともに半導体素子１２０の発する熱Ｑを金属ベース基板１１０を介してヒートシンク１００に放熱する。

特開２０１９－１１７８７８号公報

ところで、図５において金属ベース基板１１０にアルミ製の丸棒１３０を立設して丸棒１３０を通して導体パターン１１４に電流ｉ１２を流す構成にすることができる。ここで、小型化を図るべく丸棒１３０に代わり金属板であるバスバーを基板に内蔵する構成とすることができる。具体的には、図６（ａ），（ｂ）に示すように、ヒートシンク２２０の上に、配線材及び放熱部材となるバスバー２１０を内蔵した多層基板２００を配置するとともに多層基板２００に半導体素子２３０が導体パターン２０１，２０２と電気的に接続された状態で実装されている。より詳しくは、バスバー２１０を内蔵した多層基板２００におけるバスバー２１０上及び導体パターン２０１，２０２上にはめっき層２０５が形成され、半導体素子２３０の下面電極２３１とめっき層２０５とは、はんだＳ１０により接合されている。バスバー２１０上にめっき層２０５が形成されるのは、多層基板２００のスルーホールに銅めっき処理する工程があるためである。そして、半導体素子２３０を通して電流ｉ２１がバスバー２１０からめっき層２０５とはんだＳ１０を経て導体パターン２０２に流れる。また、電流ｉ２２が導体パターン２０１からめっき層２０５を通してバスバー２１０に流れる。半導体素子２３０の発する熱Ｑは、はんだＳ１０、めっき層２０５、バスバー２１０を介してヒートシンク２２０に放熱される。

このような構造を採用した場合には、表層が銅製のめっき層２０５でしか繋がらない部位があるので、銅製のめっき層２０５が例えば３５μｍ程度の厚さなので電流経路を確保することが困難となることが懸念される。詳しくは、図６（ｂ）において電流ｉ２２が流れた際に、大電流がめっき層２０５（例えば厚さ３５μｍ）のみで流れることになり、電流経路の断面積が十分に大きく取れずに電流経路断面積が不足ぎみになる。

本発明の目的は、電流経路を確保することができる半導体装置を提供することにある。

上記課題を解決するための半導体装置は、ヒートシンクの上に配置され、パターニングされた導体層が形成されるとともに表面にめっき層が形成された基板と、前記ヒートシンクと熱的に接続された状態で前記基板に内蔵されたバスバーと、下面電極が前記バスバー上に前記めっき層を介して接合されるとともに、端子が前記導体層の一部に前記めっき層を介して接合された半導体素子と、を備えた半導体装置であって、前記バスバーは、前記半導体素子の端子側とは反対の側面に切欠部を有し、前記導体層の他部は、前記切欠部に延在するパターン延在部を有し、前記下面電極が前記パターン延在部に前記めっき層を介して接合されてなることを要旨とする。

これによれば、半導体素子の下面電極とバスバーの間と、導体層の他部とが、パターン延在部を通して直接導通することによって、めっき層のみで導通する場合に比べ、電流経路を確保することができる。

また、半導体装置において、前記バスバーは、前記半導体素子の端子側の側面に端子側切欠部を有し、前記導体層の一部は、前記端子側切欠部に延在する端子側パターン延在部を有しているとよい。

また、半導体装置において、前記基板は多層基板であるとよい。

本発明によれば、電流経路を確保することができる。

（ａ）は実施形態における半導体装置の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ－Ａ線での断面図。 図１（ｂ）のＢ－Ｂ線での断面図。 インバータ回路を示す図。 （ａ）は別例の半導体装置の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ－Ａ線に対応する部位での断面図。 背景技術を説明するための半導体装置の断面図。 （ａ）は課題を説明するための半導体装置の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ－Ａ線での断面図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１（ａ）、図１（ｂ）、図２には本実施形態における半導体装置の構造を示す。図３は、本発明が適用されるインバータ回路を示す。なお、図１（ａ）、図１（ｂ）、図２において、水平面を、直交するＸ，Ｙ方向で規定するとともに、上下方向をＺ方向で規定している。

図３に示すように、インバータ回路１０は、スイッチング素子１１，１２，１３，１４，１５，１６を有する。各スイッチング素子１１，１２，１３，１４，１５，１６は、それぞれ、ＭＯＳＦＥＴである。正極母線Ｌｐと負極母線Ｌｎとの間において、ｕ相上アーム用スイッチング素子１１とｕ相下アーム用スイッチング素子１２とが直列接続されている。正極母線Ｌｐと負極母線Ｌｎとの間において、ｖ相上アーム用スイッチング素子１３とｖ相下アーム用スイッチング素子１４とが直列接続されている。正極母線Ｌｐと負極母線Ｌｎとの間において、ｗ相上アーム用スイッチング素子１５とｗ相下アーム用スイッチング素子１６とが直列接続されている。ｕ相上アーム用スイッチング素子１１とｕ相下アーム用スイッチング素子１２との間の中点Ｐｕは三相モータＭと接続されている。ｖ相上アーム用スイッチング素子１３とｖ相下アーム用スイッチング素子１４との間の中点Ｐｖは三相モータＭと接続されている。ｗ相上アーム用スイッチング素子１５とｗ相下アーム用スイッチング素子１６との間の中点Ｐｗは三相モータＭと接続されている。

そして、例えば、スイッチング素子１１がオフ、スイッチング素子１３又はスイッチング素子１５がオン、スイッチング素子１２がオン、スイッチング素子１４，１６がオフすることにより、電流ｉ１が、三相モータＭ→中点Ｐｕ→スイッチング素子１２→負極母線Ｌｎの経路で流れる。また、スイッチング素子１１がオン、スイッチング素子１３，１５がオフ、スイッチング素子１２がオフ、スイッチング素子１４又はスイッチング素子１６がオンすることにより、電流ｉ２が、正極母線Ｌｐ→スイッチング素子１１→中点Ｐｕ→三相モータＭの経路で流れる。

図１（ａ）、図１（ｂ）、図２に示すように、半導体装置２０は、基板３０と、基板３０に内蔵されるバスバー５０と、基板３０に実装される半導体素子６０と、ヒートシンク７０と、を備える。半導体素子６０は、図３でのスイッチング素子１２を構成している。

ヒートシンク７０は、熱伝導性に優れる金属、例えばアルミよりなる金属板である。
基板３０は、ヒートシンク７０の上に配置されている。
基板３０は、多層基板であり、下から順に、パターニングされた銅製の導体層３２、絶縁層（樹脂層）３３、パターニングされた銅製の導体層３４、絶縁層（樹脂層）３５、パターニングされた銅製の導体層３６が積層されることにより構成されている。導体層３２、導体層３４及び導体層３６は、それぞれ、銅製の層を所望の形状にパターニングしたものである。つまり、基板３０は、導体層が３層ある多層基板である。導体層３２、導体層３４及び導体層３６の厚さは、それぞれ、７０～１０５μｍである。

基板３０は、下側の表面に銅製のめっき層３７が形成されているとともに上側の表面に銅製のめっき層３８が形成されている。基板３０は、めっき層３７の表面にレジスト層３９が形成されているとともにめっき層３８の表面にレジスト層４０が形成されている。めっき層３７，３８の厚さは、それぞれ、３５μｍである。

このように、基板３０は、パターニングされた導体層３２，３４，３６が形成されるとともに表面にめっき層３７，３８が形成されている。めっき層３７，３８は、基板３０のスルーホールの銅めっき処理に伴い形成される。

導体層３６は、図１（ａ），（ｂ）、図２に示すようにＸ方向に延びるパターン３６ａ及びＸ方向に延びるパターン３６ｂを有する。パターン３６ａとパターン３６ｂとは一直線上に形成されている。

バスバー５０は、銅板を所定の形状に成形することにより構成されている。銅製のバスバー５０は、基板３０に内蔵されている。詳しくは、基板３０における導体層３２、絶縁層３３、導体層３４、絶縁層３５、導体層３６の積層体の所定領域に空間Ｓｐが形成され、この空間Ｓｐにバスバー５０が配置されている。バスバー５０は、図１（ａ）、図２に示すように、Ｙ方向に延びている。

図１（ａ），（ｂ）に示すように、半導体素子６０は、ＭＯＳＦＥＴであり、ドレイン電極としての下面電極６１、及び、側面から延びるソース電極端子６２を有する。
半導体素子６０は、下面電極６１が、バスバー５０上にめっき層３８を介して、はんだＳ１より接合されている。

バスバー５０は、図３におけるスイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ）１２のドレイン電極と三相モータＭを繋ぐ配線材となっている。即ち、ｕ相上アーム用スイッチング素子１１とｕ相下アーム用スイッチング素子１２との間の中点Ｐｕから配線材及び放熱部材（熱マス）としてのバスバー５０が分岐している。

図１（ｂ）に示すように、バスバー５０の下面には、めっき層３７が形成されている。
図１（ａ）、図１（ｂ）、図２に示すように、バスバー５０は、上面のＸ方向の角のうちの左側の側面、即ち、ソース電極端子６２側とは反対の側面に第１切欠部５１が形成されている。また、バスバー５０は、上面のＸ方向の角のうちの右側の側面、即ち、ソース電極端子６２側の側面に端子側切欠部としての第２切欠部５２が形成されている。

導体層３６におけるパターン３６ａは、第１切欠部５１に延在する第１パターン延在部３６ｃを有している。具体的には、第１パターン延在部３６ｃの下部の絶縁層３５及び導体層３４とともに第１切欠部５１に延在している。導体層３６におけるパターン３６ｂは、第２切欠部５２に延在する端子側パターン延在部としての第２パターン延在部３６ｄを有している。具体的には、第２パターン延在部３６ｄの下部の絶縁層３５及び導体層３４とともに第２切欠部５２に延在している。第２パターン延在部３６ｄは非連続状態で延在している。導体層３６の第１パターン延在部３６ｃは、はんだＳ１により、めっき層３８を介して半導体素子６０の下面電極６１に接合されている。半導体素子６０のソース電極端子６２は、はんだＳ２により、めっき層３８を介して基板３０の導体層３６の一部であるパターン３６ｂに接合されている。

半導体素子６０の下面電極６１とバスバー５０とは、めっき層３８及びはんだＳ１により電気的に接続され、この半導体素子６０の下面電極６１とバスバー５０の間と、導体層３６の他部であるパターン３６ａとが、第１パターン延在部３６ｃを通して直接導通している。一方、図６（ａ），（ｂ）に示した構成とした場合においては、半導体素子２３０の下面電極２３１とバスバー２１０とは、めっき層２０５及びはんだＳ１０により電気的に接続され、この半導体素子２３０の下面電極２３１とバスバー２１０の間と、導体パターン２０１とが、めっき層２０５のみで導通している。

そして、図３に示すスイッチング素子１１がオフ、スイッチング素子１３又はスイッチング素子１５がオン、スイッチング素子１２がオン、スイッチング素子１４，１６がオフするときに電流ｉ１が図１（ｂ）においてバスバー５０→めっき層３８→はんだＳ１→半導体素子６０→はんだＳ２→めっき層３８→導体層３６のパターン３６ｂの経路で流れる。また、図３に示すスイッチング素子１１がオン、スイッチング素子１３，１５がオフ、スイッチング素子１２がオフ、スイッチング素子１４又はスイッチング素子１６がオンするときに電流ｉ２が図１（ｂ）において導体層３６のパターン３６ａ→導体層３６の第１パターン延在部３６ｃ→めっき層３８及びはんだＳ１→バスバー５０の経路で流れる。

また、図１（ｂ）に示すように、ヒートシンク７０の上面に電気絶縁性接合部材である接着シート８０を介して基板３０の下面が接着されている。
このとき、ヒートシンク７０とバスバー５０との間には、接着シート８０とめっき層３７とが位置しており、バスバー５０はヒートシンク７０と熱的に接続されている。また、バスバー５０と半導体素子６０との間には、めっき層３８とはんだＳ１とが位置しており、バスバー５０は半導体素子６０と熱的に接続されている。そして、半導体素子６０で発生した熱Ｑは、はんだＳ１→めっき層３８→バスバー５０→めっき層３７→接着シート８０を通してヒートシンク７０に逃がされる。

なお、接着シート８０に代わり、バスバー５０の下面側をレジスト層３９で覆い、接着剤で接着してもよい。
次に、作用について説明する。

図１（ａ）、図１（ｂ）、図２において半導体素子６０のスイッチング動作に伴い電流ｉ１が、バスバー５０から、めっき層３８と、はんだＳ１と、半導体素子６０を通して導体層３６のパターン３６ｂに流れる。また、電流ｉ２が導体層３６のパターン３６ａから、導体層３６の第１パターン延在部３６ｃと、めっき層３８及びはんだＳ１を通してバスバー５０に流れる。

また、半導体素子６０は、スイッチング動作に伴い発熱する。この熱Ｑは、はんだＳ１と、めっき層３８と、バスバー５０と、めっき層３７と、接着シート８０を通してヒートシンク７０に逃がされる。

図６（ａ），（ｂ）に示した構成とした場合においては、半導体素子２３０を通して電流ｉ２１がバスバー２１０からめっき層２０５とはんだＳ１０を通して導体パターン２０２に流れる。また、電流ｉ２２が導体パターン２０１からめっき層２０５を通してバスバー２１０に流れる。このとき、図６（ｂ）において電流ｉ２２が流れた際に、大電流がめっき層２０５（例えば厚さ３５μｍ）のみで流れることになり、電流経路の断面積が十分に大きく取れずに不足ぎみになる。

図６（ｂ）では銅製のバスバー２１０は断面形状が直方体であったものを、図１（ａ），（ｂ）、図２に示す本実施形態においては、銅製のバスバー５０は、異形状化されており、断面形状として、半導体素子６０の搭載側の両側面に切欠部（段差）５１，５２を設置している。

つまり、高さ方向に段差を設けて、この段差部に銅製の導体層３６のパターン延在部３６ｃ，３６ｄを延長している。これにより、電流経路として半導体素子６０から直ぐの銅製の導体層３６の第１パターン延在部３６ｃに逃げる経路を確保することができる。よって、厚い銅製の導体層３６のパターン３６ａに電流が流れやすく発熱も抑えられる。

また、図６（ａ），（ｂ）に示した構成とした場合においては、バスバー２１０の周辺には銅製のめっき層２０５しかないので基板２００の樹脂層２０７と銅製のパターン２０１，２０２及び銅製のバスバー２１０との熱衝撃による熱収縮によりめっき層２０５が割れやすい。詳しくは、半導体素子２３０の実装箇所周辺の層構成がめっき層２０５のみで支えられていることになり、めっき層２０５において熱衝撃によるクラックＣＬが発生するおそれがある。

図１（ａ），（ｂ）、図２に示す本実施形態においては、薄いめっき層３８が銅製の導体層３６の第１パターン延在部３６ｃによって支えられており、熱衝撃に対する耐久性が向上する。

このように半導体素子６０の直下のバスバー５０における切欠部（段差）５１，５２による空間を活用して導体層３６をパターン延在部３６ｃ，３６ｄとして半導体素子６０の直下まで拡張している。このように、銅製のバスバー５０及び銅製の導体層３６の形状として切欠部５１，５２にパターン延在部３６ｃ，３６ｄを設けることにより、電流経路の確保と耐熱衝撃性の向上を両立できる。詳しくは、銅製の導体層（パターン）３６は、厚さが７０～１０５μｍであり、直接導通する経路を確保できる。また、銅製の導体層３６のパターン拡張による剛性向上により、耐熱衝撃性を向上している。その結果、電流経路を確保しつつ強度向上を図ることが可能となる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）半導体装置２０の構成として、ヒートシンク７０の上に配置され、パターニングされた導体層３６が形成されるとともに表面にめっき層３８が形成された基板３０と、ヒートシンク７０と熱的に接続された状態で基板３０に内蔵されたバスバー５０と、下面電極６１がバスバー５０上にめっき層３８を介して接合されるとともに、端子６２が導体層３６の一部であるパターン３６ｂにめっき層３８を介して接合された半導体素子６０と、を備える。バスバー５０は、半導体素子６０の端子６２側とは反対の側面に第１切欠部５１を有し、導体層３６の他部であるパターン３６ａは、第１切欠部５１に延在する第１パターン延在部３６ｃを有し、下面電極６１が第１パターン延在部３６ｃにめっき層３８を介して接合されている。よって、半導体素子６０の下面電極６１とバスバー５０の間と、導体層３６の他部であるパターン３６ａとが、第１パターン延在部３６ｃを通して直接導通することによって、めっき層３８のみで導通する場合に比べ、電流経路を確保することができる。つまり、本実施形態においては、薄いめっき層３８のみの電流経路をなくして薄いめっき層３８に厚い銅製の導体層３６のパターン３６ａが重ねられることによる電流経路を構成することができる。

また、導体層３６のパターンの拡張による剛性アップによって熱による衝撃性が向上して強度向上を図ることができる。つまり、厚い導体層３６の第１パターン延在部３６ｃが切欠部（段差部）５１に入り込んでいるので熱収縮に対して強くなっている。

（２）バスバー５０は、半導体素子６０の端子６２側の側面に端子側切欠部としての第２切欠部５２を有し、導体層３６の一部であるパターン３６ｂは、第２切欠部５２に延在する端子側パターン延在部としての第２パターン延在部３６ｄを有しているので、より剛性が向上する。

（３）基板３０は多層基板であるので、より好適である。
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ バスバー５０は、両側に切欠部５１，５２を有していたが、これに代わり、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、片側にのみ切欠部５１を有する構成でもよい。つまり、図１（ｂ）においては、半導体素子６０における右側のソース電極端子６２が延びている側に切欠部５２が形成されるとともに半導体素子６０における左側に切欠部５１が形成されていたが、図４（ｂ）に示したように半導体素子６０における左側の切欠部５１のみが形成されていてもよい。

○ 半導体素子はＭＯＳＦＥＴであったが、これに代わり他の素子、例えばＩＧＢＴ、バイポーラトランジスタ、ダイオード等でもよい。

２０…半導体装置、３０…基板、３６…導体層、３６ａ…パターン、３６ｂ…パターン、３６ｃ…第１パターン延在部、３６ｄ…第２パターン延在部、３８…めっき層、５０…バスバー、５１…第１切欠部、５２…第２切欠部、６０…半導体素子、６１…下面電極、６２…端子、７０…ヒートシンク。

Claims (3)

1. ヒートシンクの上に配置され、パターニングされた導体層が形成されるとともに表面にめっき層が形成された基板と、
   前記ヒートシンクと熱的に接続された状態で前記基板に内蔵されたバスバーと、
   下面電極が前記バスバー上に前記めっき層を介して接合されるとともに、端子が前記導体層の一部に前記めっき層を介して接合された半導体素子と、
   を備えた半導体装置であって、
   前記バスバーは、前記半導体素子の端子側とは反対の側面に切欠部を有し、
   前記導体層の他部は、前記切欠部に延在するパターン延在部を有し、
   前記下面電極が前記パターン延在部に前記めっき層を介して接合されてなることを特徴とする半導体装置。
2. 前記バスバーは、前記半導体素子の端子側の側面に端子側切欠部を有し、
   前記導体層の一部は、前記端子側切欠部に延在する端子側パターン延在部を有していることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記基板は多層基板であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。

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