JP7310571B2 - 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には、半導体装置が開示されている。この半導体装置では、半導体素子の電極がはんだ層を介して導体板に接合されている。通常、このような構造であると、半導体素子と導体板との間のはんだ層（特に、その端部）やその近傍では、半導体装置の熱変形に伴って比較的に大きな熱応力が生じやすい。

上記の問題に関して、特許文献１の半導体装置では、半導体素子と導体板との間のはんだ層に、半導体素子から導体板へ延びる複数の細隙が設けられている。この細隙によってはんだ層は複数に分断されており、分断されたはんだ層の各々が柔軟に変形することによって、はんだ層やその近傍に生じる熱応力が緩和されると説明されている。

特開２０１８－６７６８１号公報

上記した半導体装置では、各細隙の幅寸法が、半導体素子側と導体板側との両端で同等に設計されている。従って、細隙によって分断された各はんだ層は、概してブロック形状を有しており、半導体素子への接触角度（いわゆる、フィレット角度）が略直角となっている。はんだ層のフィレット角度、特に、半導体素子側のフィレット角度が大きいと、はんだ層に接続された半導体素子に、比較的に大きな熱応力が生じ得る。従って、はんだ層が複数に分断されており、それぞれが比較的に大きなフィレット角度を有していると、互いに隣接する二つのフィレット（はんだ層の端部）が、その位置で生じる半導体素子の熱応力を局所的に増大させるおそれがある。

従って、本明細書では、はんだ層が複数に分断された半導体装置において、半導体素子に生じる熱応力を抑制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、上面に電極を有する半導体素子と、下面が電極にはんだ層を介して接合された導体板とを備える。半導体素子の上面は、電極が露出する電極領域と、電極領域を分断しながら第１方向に沿って延びる第１領域とを有し、第１領域は電極領域よりもはんだ濡れ性が低い。導体板の下面は、電極領域にはんだ層を介して接合された接合領域と、接合領域を分断しながら第１方向に沿って延びる第２領域とを有し、第２領域は接合領域よりもはんだ濡れ性が低い。第１領域と第２領域とは互いに対向し、それらの間ではんだ層が分断されている。第１方向に垂直な第２方向において、第２領域の寸法は、第１領域の寸法よりも大きい。以下では、第１領域／第２領域の第２方向における寸法を、単に第１領域／第２領域の幅寸法と称することがある。

上記した半導体装置では、半導体素子の第１領域と、それに対向する導体板の第２領域とのそれぞれが、比較的に低いはんだ濡れ性を有しており、それらの間ではんだ層が分断されている。ここで、第２領域の幅寸法は、第１領域の幅寸法よりも大きい。従って、複数に分断されたはんだ層の各々は、比較的に小さなフィレット角度で半導体素子に接触する。このような構造であると、はんだ層が複数に分断され、二つのフィレットが互いに隣接する位置でも、半導体素子に生じる熱応力を有意に抑制することができる。

実施例の半導体装置１０の内部構造を示す断面図。構造を明確に図示するために、図１、図２では封止体２０が図示省略されている。 図１のＩＩ－ＩＩ線における断面図。 導体スペーサ１４の下面１４ｂについて説明する平面図。

図１－図３を参照して、実施例の半導体装置１０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ことができる。

図１に示すように、半導体装置１０は、半導体素子１２と、導体スペーサ１４と、上側導体板１６と、下側導体板１８と、封止体２０とを備える。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。封止体２０は、概して板形状を有しており、互いに反対側に位置する上面２０ａ及び下面２０ｂを有する。上面２０ａには上側導体板１６が露出しており、下面２０ｂには下側導体板１８が露出している。上側導体板１６及び下側導体板１８は、封止体２０の内部において半導体素子１２と電気的及び熱的に接続されている。これにより、上側導体板１６及び下側導体板１８は、半導体素子１２に接続された電力回路の一部を構成するとともに、半導体素子１２の熱を外部へ放熱する放熱板として機能する。

図１、２に示すように、半導体素子１２は、主に半導体基板で構成されているとともに、互いに反対側に位置する一対の素子電極１２ｂ、１２ｃを有する。一対の素子電極１２ｂ、１２ｃは、半導体素子１２の上面１２ａに位置する上面電極１２ｂと、半導体素子１２の下面に位置する下面電極１２ｃとを含む。一対の素子電極１２ｂ、１２ｃは、半導体基板を介して電気的に接続される。半導体素子１２は、上面１２ａに複数の信号電極１２ｄを有する。各信号電極１２ｄは、不図示の信号端子に接続され、信号回路の一部を構成する。各電極１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは、例えばニッケル又は他の金属を用いて構成されている。ここで、上面電極１２ｂは、本明細書が開示する技術における電極の一例である。

半導体素子１２は、上面１２ａ上に、保護膜１２ｐを備えており、保護膜１２ｐは、上面電極１２ｂを露出する複数の開口１２ｗを有する。保護膜１２ｐは、半導体素子１２の外周縁１２ｅに沿って枠状に伸びており、上面電極１２ｂの周囲を取り囲んでいる。保護膜１２ｐ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１２ｐ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。

半導体素子１２は、パワー半導体素子であって、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。但し、半導体素子１２はＩＧＢＴに限られず、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）又はダイオードであってもよい。なお、半導体素子１２の数や種類については、特に限定されない。半導体素子１２を構成する半導体材料には、例えばケイ素（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、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。

導体スペーサ１４は、上側導体板１６と半導体素子１２との間に介挿されている。導体スペーサ１４は、概してブロック形状を有しており、上面１４ａと、上面１４ａの反対側に位置する下面１４ｂを有する。導体スペーサ１４は、例えば銅又は他の金属といった導体材料を用いて形成されている。導体スペーサ１４の上面１４ａは、後述する上側導体板１６の下面１６ｂにはんだ層２２を介して接合される。導体スペーサ１４の下面１４ｂは、半導体素子１２の上面電極１２ｂにはんだ層２４を介して接合される。なお、導体スペーサ１４の下面１４ｂには、金属めっき膜が設けられている。金属めっき膜は、例えばニッケル等の金属材料を用いて構成されている。ここで、導体スペーサ１４は、本明細書が開示する技術における導体板の一例である。

上側導体板１６及び下側導体板１８は、半導体素子１２を挟んで対向している。上側導体板１６及び下側導体板１８は、概して板形状又は直方体形状を有しており、例えば銅又は他の金属といった導体材料を用いて形成されている。上側導体板１６は、上面１６ａと、その反対側に位置する下面１６ｂを有する。上側導体板１６の上面１６ａは、封止体２０の上面２０ａにおいて露出されている。前述したが、上側導体板１６の下面１６ｂは、導体スペーサ１４の上面１４ａにはんだ層２２を介して接合される。これにより、上側導体板１６は、導体スペーサ１４を介して、半導体素子１２と電気的及び熱的に接続されている。

上側導体板１６と同様に、下側導体板１８は、上面１８ａと、その反対側に位置する下面１８ｂを有する。下側導体板１８の上面１８ａは、半導体素子１２の下面電極１２ｃとはんだ層２６を介して接合される。これにより、下側導体板１８は、上述したように半導体素子１２と電気的及び熱的に接続されている。また、下側導体板１８の下面１８ｂは、封止体２０の下面２０ｂにおいて露出されている。

ここで、半導体素子１２の上面１２ａ及び導体スペーサ１４の下面１４ｂ詳細について説明する。半導体素子１２の上面１２ａは、電極領域Ａｅと、第１領域Ａ１とを有する（図２参照）。電極領域Ａｅは、保護膜１２ｐの開口１２ｗ内に位置しており、半導体素子１２の上面１２ａに露出している。第１領域Ａ１は、保護膜１２ｐに覆われた範囲の一部であって、特に、互いに隣接する開口１２ｗの間に位置する部分である。従って、第１領域Ａ１は、電極領域Ａｅを分断しながら、第１方向ｄ１に沿って延びている。加えて、第１領域Ａ１は、電極領域Ａｅよりもはんだ濡れ性が低い。

なお、ここでいうはんだ濡れ性は、溶融したはんだに対する親和性を表しており、その領域のはんだ濡れ性が高いほど、はんだはその領域上において濡れ広がりやすい。言い換えると、はんだ濡れ性が低いほど、その領域上においてはんだは濡れ広がり難くなる。

図３に示すように、導体スペーサ１４の下面１４ｂは、接合領域Ａｂと、第２領域Ａ２を有する。接合領域Ａｂは、半導体素子１２の電極領域Ａｅに対向する範囲であり、電極領域Ａｅにはんだ層２４を介して接合される。第２領域Ａ２は、接合領域Ａｂを分断しながら第１方向ｄ１に沿って延びている。加えて、第２領域Ａ２では、レーザ照射によって金属めっき膜が酸化されており、接合領域Ａｂよりもはんだ濡れ性が低くなっている。第２領域Ａ２は、半導体素子１２の第１領域Ａ１と互いに対向しており、第１領域Ａ１及び第２領域Ａ２との間ではんだ層２４が分断されている（図１参照）。なお、第２方向ｄ２において、第２領域Ａ２の寸法（即ち、幅寸法Ｗ２）は第１領域Ａ１の寸法（即ち、幅寸法Ｗ１）よりも大きい。ここで、第２方向ｄ２は、第１方向ｄ１に垂直な方向である。従って、第２方向ｄ２は、電極領域Ａｅが露出された複数の位置（即ち、複数の開口１２ｗ）を通過する方向を示す。

上記したように、本実施例では、導体スペーサ１４の第２領域Ａ２が、レーザ照射によって金属めっき膜が酸化されている。これにより、第２領域Ａ２は、第２領域Ａ２以外の他の金属めっき膜上（即ち、接合領域Ａｂ）よりもはんだ濡れ性が低くなっている。しかしながら、レーザ照射による金属めっき膜の酸化に限られず、第２領域Ａ２のはんだ濡れ性は、他の手法によって低減されてもよい。

本実施例の半導体装置１０では、半導体素子１２の上面電極１２ｂが、はんだ層２４を介して導体スペーサ１４に接合されている。一般に、このような構造であると、はんだ層２４（特に、その端部）やその近傍では、半導体装置１０の熱変形に伴って比較的に大きな熱応力が生じやすい。特に、はんだ層２４のフィレット角度、特に、半導体素子１２側のフィレット角度が大きいと、はんだ層２４に接続された半導体素子１２に、比較的に大きな熱応力が生じ得る。この点に関して、本実施例の半導体装置１０では、はんだ層２４が複数に分断されているので、それぞれのはんだ層２４が仮に大きなフィレット角度（例えば９０度以上）を有していると、互いに隣接する二つのフィレット（はんだ層２４の端部）が、その位置で生じる半導体素子１２の熱応力を局所的に増大させるおそれがある。

上記課題を解決するために、本実施例の半導体装置１０では、半導体素子１２の第１領域Ａ１と、それに対向する導体スペーサ１４の第２領域Ａ２とのそれぞれが、比較的に低いはんだ濡れ性を有しており、それらの間ではんだ層２４が分断されている。ここで、第２領域Ａ２の幅寸法Ｗ２は、第１領域Ａ１の幅寸法Ｗ１よりも大きい。従って、複数に分断されたはんだ層２４の各々は、比較的に小さなフィレット角度で半導体素子１２に接触する。このような構造であると、はんだ層２４が複数に分断され、二つのフィレットが互いに隣接する位置でも、半導体素子１２に生じる熱応力を有意に抑制することができる。

また、導体スペーサ１４が第２領域Ａ２を有していない従来構造の半導体装置の場合、互いに隣接する開口１２ｗの間において、はんだの濡れ広がりに個体差があり、それに起因して、半導体装置の素子電極の寿命にもばらつきが生じていた。本実施例の半導体装置１０では、互いに隣接する開口１２ｗの間において、はんだが濡れ広がることはなく、それに起因して素子電極１２ｂ、１２ｃの寿命がばらつくことを防止することができる。

本実施例の半導体装置１０の製造方法については、従来の導体スペーサ１４に代えて、第２領域Ａ２が形成された導体スペーサ１４を用意するのみでよい。従って、半導体装置１０は、従来の製造工程を利用して製造することができる。

本実施例の半導体装置１０は、一つの半導体素子１２を備えている。但し、半導体素子１２の数は限定されず、半導体装置１０は、二つ以上の半導体素子１２を備えていてもよい。

本実施例の半導体装置１０は、上側導体板１６及び下側導体板１８が封止体２０の両面２０ａ、２０ｂから露出する両面冷却構造を有している。但し、半導体装置１０は、両面冷却構造に限定されない。例えば、上側導体板１６は、封止体２０の上面２０ａに露出することなく、封止体２０の内部に埋設されていてもよい。このような構造であると、半導体装置１０は、下側導体板１８のみが封止体２０の下面２０ｂから露出する片面冷却構造を有することになる。

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：上面
１２ｂ、１２ｃ：素子電極
１４：導体スペーサ
１４ａ：上面
１４ｂ：下面
１６、１８：導体板
２０：封止体
２２、２４、２６：はんだ層
Ａ１：第１領域
Ａ２：第２領域
Ａｂ：接合領域
Ａｅ：電極領域
ｄ１：第１方向
ｄ２：第２方向
Ｗ１：第１領域の幅寸法
Ｗ２：第２領域の幅寸法

Claims (1)

1. 上面に電極を有する半導体素子と、
   下面が前記電極にはんだ層を介して接合された導体板と、
   を備え、
   前記半導体素子の前記上面は、前記電極が露出する電極領域と、前記電極領域を分断しながら第１方向に沿って延びる第１領域とを有し、前記第１領域は前記電極領域よりもはんだ濡れ性が低く、
   前記導体板の前記下面は、金属めっき膜で被覆されているとともに、前記電極領域に前記はんだ層を介して接合された接合領域と、前記金属めっき膜を構成する金属の酸化膜で被覆されているとともに、前記接合領域を分断しながら前記第１方向に沿って延びる第２領域とを有し、前記第２領域は前記接合領域よりもはんだ濡れ性が低く、
   前記第１領域と前記第２領域とは互いに対向し、それらの間で前記はんだ層が分断されており、
   前記第１方向に垂直な第２方向において、前記第２領域の寸法は、前記第１領域の寸法よりも大きい、
   半導体装置。

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