JPWO2020003495A1 - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

半導体装置の寿命の均一化を目的とする。半導体装置（１０１）は、フロントメタル（１１）を有する半導体素子（１）と、第１部（２１）を有するリードフレーム（２）と、第１層（５１）および第２層（５２）を有する接合層（５）と、接合層よりも厚いはんだ（３１）とを備える。フロントメタル、第１部はそれぞれ第１金属、第２金属を材料とする。第１層、第２層はそれぞれ第１金属と錫との合金、第２金属と錫との合金である。接合層は第１部とフロントメタルとの間にある。第１層、第２層はそれぞれフロントメタルの側、第１部の側にある。第１部においてフロントメタルの外郭を避けて複数の孔が貫通する。はんだは複数の孔の内部にあって接合層と隣接する。複数の孔は第１部をその厚さ方向に貫通する複数の第１孔（２１１）を含む。フロントメタルの外郭よりも内側の環状の領域（２１３）に第１孔がある。

Description

この発明は半導体装置に関する。

半導体素子が有する電極とリードフレームとを、ボンディングワイヤを介することなく、はんだ付けで接続した接合部を有する半導体装置が公知である。

特開２０１１−２０４８８６号公報 特開２０１２−６９６４０号公報

半導体装置においては、半導体素子の発熱に起因する熱サイクルと、半導体装置を構成する異種の部材の線膨張係数の相違とによって熱応力が発生する。この熱応力は上記の接合部の端部で顕著となる。接合部の端部では、応力の集中に起因して、亀裂が発生しやすい。熱応力は半導体素子の損傷の一因であり、半導体装置の寿命のばらつきを招来する。

特許文献１および特許文献２では、リードフレームに孔を開口してはんだ、または接着剤が開口部の内部を埋める技術が提案された。

特許文献１では、リードフレームに設けられた孔が単純に並ぶ構成が例示される。かかる構成では、接合部の端部で亀裂が発生した場合、孔から遠い部分において亀裂の進行を抑制しにくい。

特許文献２では、リードフレームに設けられた孔が接合部の端部にも位置する場合が例示される。この場合には、接合部の端部において、孔が設けられる位置ではんだが厚く形成される。接合部の端部で亀裂が発生した場合、はんだが厚い位置において素子へと亀裂が進展する可能性は高い。

本発明は半導体装置の寿命を均一化することを目的とする。

この発明にかかる半導体装置（１０１〜１１１）は、第１金属を材料とする電極（１１，１１ｆ，１１ｇ，１１ｈ，１１ｉ）を有する半導体素子（１）と、第２金属を材料とする第１部（２１）を有し、前記第１部において前記電極の外郭を避けて複数の孔（２１０）が貫通するリードフレーム（２）と、前記第１部と前記電極との間にある接合層（５）と、前記複数の孔の内部にあって前記接合層と隣接し、前記接合層よりも厚いはんだ（３１）とを備える。前記複数の孔は前記第１部を前記第１部の厚さ方向に貫通する複数の第１孔（２１１）を含む。前記接合層は、前記第１金属と錫との合金であって前記電極の側にある第１層（５１）と、前記第２金属と錫との合金であって前記第１部の側にある第２層（５２）とを有する。前記電極の外郭よりも内側の環状の領域（２１３，２１３ｆ，２１３ｇ，２１３ｈ，２１３ｉ）に前記複数の第１孔がある。

孔がある環状の領域よりも外側において亀裂が発生しても、当該亀裂は当該環状の領域よりも内側へと進展しにくい。

半導体装置の寿命が均一化される。

この発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。

この発明の実施の形態１にかかる半導体装置の構成を例示する平面図である。 この発明の実施の形態１にかかる半導体装置の構成を例示する断面図である。 図２の一部を拡大して示す断面図である。 この発明の実施の形態２にかかる半導体装置の構成を例示する平面図である。 この発明の実施の形態２にかかる半導体装置の構成を例示する断面図である。 この発明の実施の形態３にかかる半導体装置の構成を例示する平面図である。 この発明の実施の形態３にかかる半導体装置の構成を例示する断面図である。 この発明の実施の形態４にかかる半導体装置の構成を例示する平面図である。 この発明の実施の形態４にかかる半導体装置の構成を例示する断面図である。 この発明の実施の形態５にかかる半導体装置の構成を例示する平面図である。 この発明の実施の形態５にかかる半導体装置の構成を例示する断面図である。 この発明の実施の形態６にかかる半導体装置の構成を例示する平面図である。 この発明の実施の形態６にかかる半導体装置の構成を例示する断面図である。 この発明の実施の形態７にかかる半導体装置の構成を例示する断面図である。 この発明の実施の形態８にかかる半導体装置の構成を例示する断面図である。 この発明の実施の形態９にかかる半導体装置の構成を例示する断面図である。 この発明の実施の形態１０にかかる半導体装置の構成を例示する断面図である。 この発明の実施の形態１１にかかる半導体装置の構成を例示する斜視図である。 この発明の実施の形態１１にかかる半導体装置の一部を省略した構成を例示する斜視図である。 この発明の実施の形態１１にかかる半導体装置に採用される半導体素子を例示する平面図である。 この発明の実施の形態１１にかかる半導体装置における応力の分布を例示する図である。 この発明の実施の形態１１にかかる半導体装置に対する比較例である半導体装置の構成を例示する斜視図である。 比較例である半導体装置の一部を省略した構成を例示する斜視図である。 比較例である半導体装置における応力の分布を例示する図である。

以下で説明される複数の実施の形態において、名称および符号が共通する構成要素同士は、特に説明されない限り、いずれの実施の形態においても同じもしくは類似の構成、または、同じもしくは類似の機能を有する。

＜実施の形態１＞
図１はこの発明の実施の形態１にかかる半導体装置１０１の構成を例示する平面図である。図２は半導体装置１０１の構成を例示する断面図であり、図１の位置II-IIにおける断面を示す。

半導体装置１０１は、半導体素子１、リードフレーム２、接合層５、はんだ３１、フロントメタル１１を備える。図２では半導体装置１０１が更に封止樹脂８を備える状態が示されており、図１では封止樹脂８は図示の煩雑を避けるために省略されている。

半導体素子１は例えば、エミッタ電極１ｅ、ゲート電極１ｇ、信号電極１ｓ，１ｔを有するトランジスタである。フロントメタル１１は電極であり、リードフレーム２が接続される対象である。より具体的にはフロントメタル１１はエミッタ電極１ｅの一部である。

フロントメタル１１とリードフレーム２とはいずれも金属を材料とする。フロントメタル１１の材料である第１金属と、リードフレーム２の材料である第２金属とは、互いに同じでも異なってもよい。フロントメタル１１はリードフレーム２との間ではんだ接合を実現することを目的とし、例えばはんだ濡れ性の向上を目的として、表面処理されて半導体素子１の外部に露出する。接合層５は第１部２１とフロントメタル１１との間にある。接合層５については後に詳述する。

エミッタ電極１ｅおよびフロントメタル１１は、図２では図示の煩雑を避けるために省略されている。但し図２では、断面視上でエミッタ電極１ｅおよびフロントメタル１１が存在する位置を、それぞれ領域Ｅ，Ｒで示す。

半導体装置１０１は半導体素子１を放熱するヒートスプレッダ４を備えていてもよい。図２ではヒートスプレッダ４と半導体素子１とを接合するはんだ層３４が示されている。図１では図示の煩雑を避けるためにはんだ層３４が省略されている。

リードフレーム２はフロントメタル１１と接続される第１部２１と、第１部２１と連結して第１部２１よりも半導体素子１から遠い第２部２２とを有する。

リードフレーム２では、第１部２１において、複数の第１孔２１１が第１部２１の厚さ方向に貫通する。第１孔２１１は実施の形態２で説明する第２孔２１２と併せて、あるいは第１孔２１１のみで、後述する複数の孔２１０として扱うことができる。

図３は図２の一部、具体的には範囲Ｃを拡大して示す断面図である。図３ではフロントメタル１１の断面も図示される。はんだ３１は第１孔２１１の内部にあって、接合層５よりも厚い。例えば接合層５の厚さは３０〜１００μｍであり、はんだ３１の厚さはその１０倍程度である。はんだ３１は接合層５と隣接する。

接合層５は、第１層５１と第２層５２とを有する。ここでは接合層５は第１層５１と第２層５２との間に更に、はんだ層５３を有する場合が例示される。はんだ層５３ははんだ３１と連続する。

第１層５１はフロントメタル１１の材料である第１金属と錫との合金であって、フロントメタル１１側にある。第２層５２は第１部２１の材料である第２金属と錫との合金であって、第１部２１側にある。第１孔２１１の内面とはんだ３１との間に第２層５２が存在してもよい。第１層５１、第２層５２、はんだ層５３は、第１部２１とフロントメタル１１とをはんだ付けすることによって得ることができる。

第１層５１、第２層５２の合金は金属化合物であって、接合層５ははんだ３１よりも機械的強度が低い。熱応力に起因する亀裂は接合層５において発生しやすい。よって亀裂が、はんだ３１がある第１孔２１１へ進展することは抑制される。半導体素子１への亀裂の進展も抑制される。

熱応力による歪みはフロントメタル１１の外郭に集中しやすく、第１孔２１１はフロントメタル１１の外郭を避けて第１部２１を貫通する。より具体的にはフロントメタル１１の外郭よりも内側の環状の領域２１３において、第１孔２１１が第１部２１を貫通する。

特にフロントメタル１１が矩形である場合、その隣接する一対の辺のそれぞれの方向の歪みが当該一対の辺の隣接する部位において集中しやすく、当該部位での歪みが大きい。例えば第１孔２１１はフロントメタル１１の四隅よりも内側において第１部２１を貫通する。

図１では、領域２１３が、フロントメタル１１の四隅よりも内側において、二つの矩形で挟まれた形状（以下「矩形環」と仮称する）を呈する場合が例示される。そして第１孔２１１は領域２１３において、少なくともフロントメタル１１の四隅に近い位置にある場合が例示される。

例えば第１孔２１１は、平面視上で径が０．３〜２．０ｍｍの円形状であり、一つのフロントメタル１１において４〜１２個の円が配置される。第１孔２１１の径が小さい場合、第１孔２１１同士の間隔が狭いことは、亀裂の進展を抑制する観点で有利である。

熱応力による歪みはフロントメタル１１の外郭に集中しやすく、フロントメタル１１の中央部では亀裂は発生しにくい。よって領域２１３よりも内側、つまりフロントメタル１１の外郭とは反対側において第１部２１には貫通孔を設けなくてもよい。

第１孔２１１がフロントメタル１１の外郭を避けて領域２１３に位置する。よって領域２１３よりも外側でははんだ３１は存在せず、領域２１３が接合層５で囲まれる。亀裂が発生しやすいフロントメタル１１の外郭では、接合層５において亀裂が発生する。

半導体装置１０１では、フロントメタル１１の外郭にはんだ３１が存在する場合（例えば特許文献２参照）と比較して、半導体素子１へと亀裂が進展する可能性が低い。よって半導体装置１０１の寿命は向上する。はんだ３１がフロントメタル１１の外郭に存在したりしなかったりする場合と比較して、半導体装置１０１の寿命は均一化される。

領域２１３よりも外側において亀裂が発生しても、第１孔２１１内のはんだ３１によって当該亀裂の進展が抑制される。はんだ３１が単純に並ぶ構成（例えば特許文献１参照）と比較して、多方向からの亀裂の進展を抑制する観点で、半導体装置１０１は有利である。

接合層５の厚さを薄くすることは、半導体素子１の発熱を第１部２１へ放熱する観点で有利である。接合層５およびはんだ３１を形成する際、例えばフロントメタル１１上にはんだ材料を配置した状態で、第１部２１をはんだ材料へ押し当てて、薄い接合層５を得ることができる。はんだ材料へ押し当てる前の第１部２１の変形は、はんだ材料へ押し当てた後の第１部２１において緩和される。これはリードフレーム２の寸法に要求される公差を緩和する観点で有利である。

第１部２１をはんだ材料へ押し当てたとき、溶解したはんだ材料はフロントメタル１１と第１部２１との間の周囲へ向かうよりも、第１孔２１１へ導入されやすい。第１孔２１１の存在は、はんだ材料がフロントメタル１１と第１部２１との間から、その周囲へとはみ出すことを抑制する観点で有利である。第１孔２１１へ導入されたはんだ材料ははんだ３１の一部あるいは全部となる。

半導体装置１０１において、フロントメタル１１の端部から領域２１３よりも遠い部分（領域２１３の内周側）の第１部２１では貫通孔が開いていない。これは一般に半導体素子１の温度がその中央において高い傾向を有することに鑑みれば、半導体素子１をリードフレーム２で放熱する観点で有利である。

＜実施の形態２＞
図４はこの発明の実施の形態２にかかる半導体装置１０２の構成を例示する平面図である。図５は半導体装置１０２の構成を例示する断面図であり、図４の位置V-Vにおける断面を示す。

半導体装置１０２は、半導体装置１０１と同様に、半導体素子１、リードフレーム２、接合層５、はんだ３１、フロントメタル１１を備える。図５では半導体装置１０２が更に封止樹脂８を備える状態が示されており、図４では封止樹脂８は図示の煩雑を避けるために省略されている。

エミッタ電極１ｅおよびフロントメタル１１は、図５では図示の煩雑を避けるために省略されている。但し図５では、断面視上でエミッタ電極１ｅおよびフロントメタル１１が存在する位置を、それぞれ領域Ｅ，Ｒで示す。

半導体装置１０２はヒートスプレッダ４を備えていてもよい。はんだ層３４は図５において示されているが、図４では省略されている。

半導体装置１０２では、半導体装置１０１と同様に、領域２１３において複数の第１孔２１１が第１部２１の厚さ方向に貫通する。半導体装置１０２では、半導体装置１０１とは異なり、領域２１３の内周側において複数の第２孔２１２が第１部２１の厚さ方向に貫通する。第１孔２１１は第２孔２１２と併せて複数の孔２１０として扱われる。はんだ３１は第２孔２１２の内部にもあって接合層５と隣接し、接合層５よりも厚い。

半導体装置１０２は第２孔２１２以外の構成が半導体装置１０１の構成と同じ、もしくは類似するので、半導体装置１０１と同様に奏功する。しかし半導体素子１をリードフレーム２で放熱する観点では、半導体装置１０１は半導体装置１０２よりも有利である。半導体装置１０１では領域２１３の内周側において第１部２１が開口しないからである。

但し、半導体素子１の中央を広くはんだ材料で覆う構造（例えば特許文献１の図５で例示される平面長方形状の貫通孔５０５にははんだ材が注入されていると理解される）と比較すると、半導体装置１０２であっても、第１部２１による放熱の観点で有利である。

＜実施の形態３＞
図６はこの発明の実施の形態３にかかる半導体装置１０３の構成を例示する平面図である。図７は半導体装置１０３の構成を例示する断面図であり、図６の位置VII-VIIにおける断面を示す。

半導体装置１０３は、半導体装置１０１と同様に、半導体素子１、リードフレーム２、接合層５、はんだ３１、フロントメタル１１を備える。図７では半導体装置１０３が更に封止樹脂８を備える状態が示されており、図６では封止樹脂８は図示の煩雑を避けるために省略されている。

エミッタ電極１ｅおよびフロントメタル１１は、図７では図示の煩雑を避けるために省略されている。但し図７では、断面視上でエミッタ電極１ｅおよびフロントメタル１１が存在する位置を、それぞれ領域Ｅ，Ｒで示す。

半導体装置１０３はヒートスプレッダ４を備えていてもよい。図７では半導体素子１および半導体素子１よりもリードフレーム２側の断面が示されている。ヒートスプレッダ４は実施の形態１，２で説明されたはんだ層３４と共に、図７において省略されている。

半導体装置１０３では、半導体装置１０１と同様に、領域２１３において複数の第１孔２１１が第１部２１の厚さ方向に貫通する。半導体装置１０３では、半導体装置１０１とは第１孔２１１の形状が異なる。

具体的には第１孔２１１は、領域２１３に沿って長いスリット形状を呈する。図６の例示では、領域２１３は矩形環を呈し、第１孔２１１は平面視上で略矩形状、例えば台形状に現れる。第１孔２１１がスリット形状を呈することは、フロントメタル１１の外郭で発生した亀裂が領域２１３の内周側に進展することを抑制する効果を高める観点で、有利である。

第１孔２１１の寸法は、例えば、長手方向における長さが３〜６ｍｍであり、短手方向における長さが１〜３ｍｍである。

半導体装置１０３は、半導体装置１０１と類似して、半導体素子１をリードフレーム２で放熱する観点で有利でもある。

＜実施の形態４＞
図８はこの発明の実施の形態４にかかる半導体装置１０４の構成を例示する平面図である。図９は半導体装置１０４の構成を例示する断面図であり、図８の位置IX-IXにおける断面を示す。

半導体装置１０４は、半導体装置１０１と同様に、半導体素子１、リードフレーム２、接合層５、はんだ３１を備える。半導体装置１０４は、半導体装置１０１におけるエミッタ電極１ｅに代替してエミッタ電極１ｆ，１ｇｇを備える。半導体装置１０４は、半導体装置１０１におけるフロントメタル１１に代替して、フロントメタル１１ｆ，１１ｇを備える。

エミッタ電極１ｆ，１ｇｇは、第１部２１と平行に、互いに隔離される。エミッタ電極１ｆ，１ｇｇは、リードフレーム２が延びる方向Ｘに沿って並ぶ。フロントメタル１１ｆ，１１ｇは、第１部２１と平行に、互いに隔離される。フロントメタル１１ｆ，１１ｇは、方向Ｘに沿って並ぶ。なお、方向Ｘとは異なる方向Ｙとして、図８および図９では方向Ｘと垂直であって第１部２１と平行な方向を例示した。図９は方向Ｘに平行な断面を示す。

フロントメタル１１ｆ，１１ｇはいずれも電極であって、それぞれエミッタ電極１ｆ，１ｇｇの一部であり、リードフレーム２が接続される対象である。フロントメタル１１ｆ，１１ｇもフロントメタル１１と同様に金属を材料とし、リードフレーム２との間ではんだ接合を実現することを目的とし、例えばはんだ濡れ性の向上を目的として、表面処理されて半導体素子１の外部に露出する。

エミッタ電極１ｆ，１ｇｇおよびフロントメタル１１ｆ，１１ｇは、図９では図示の煩雑を避けるために省略されている。但し図９では、断面視上でエミッタ電極１ｆ，１ｇｇおよびフロントメタル１１ｆ，１１ｇが存在する位置を、それぞれ領域Ｆ，Ｇ，Ｒｆ，Ｒｇで示す。

接合層５はフロントメタル１１ｆと第１部２１との間にも、フロントメタル１１ｇと第１部２１との間にも存在する。但し、フロントメタル１１ｆとフロントメタル１１ｇとの間（領域Ｒｆ，Ｒｇの間）には存在しない。

図３で示される構成と類似して、接合層５は第１層５１と第２層５２とを有する。フロントメタル１１ｆと第１部２１との間の接合層５が有する第１層５１は、フロントメタル１１ｆの材料である金属と錫との合金であって、フロントメタル１１ｆ側にある。フロントメタル１１ｇと第１部２１との間の接合層５が有する第１層５１は、フロントメタル１１ｇの材料である金属と錫との合金であって、フロントメタル１１ｇ側にある。

図９では半導体装置１０４が更に封止樹脂８を備える状態が示されており、図８では封止樹脂８は図示の煩雑を避けるために省略されている。半導体装置１０４ではフロントメタル１１ｆ，１１ｇが隔離されていることを反映して、領域Ｒｆ，Ｒｇの間には接合層５が存在しない。封止樹脂８を設けるに際して、領域Ｒｆ，Ｒｇの間に、流動する封止樹脂８が通過できる。よってフロントメタル１１ｆ，１１ｇを隔離して設けることは、封止樹脂８の流動性を向上させる観点で有利である。

半導体装置１０４はヒートスプレッダ４を備えていてもよい。図９では半導体素子１および半導体素子１よりもリードフレーム２側の断面が示されている。ヒートスプレッダ４は実施の形態１，２で説明されたはんだ層３４と共に図９において省略されている。

熱応力による歪みはフロントメタル１１ｆ，１１ｇの外郭に集中しやすく、第１孔２１１はフロントメタル１１ｆ，１１ｇの外郭を避けて第１部２１を貫通する。より具体的にはフロントメタル１１ｆの外郭よりも内側の環状の領域２１３ｆと、フロントメタル１１ｇの外郭よりも内側の環状の領域２１３ｇとにおいて、第１孔２１１が第１部２１を貫通する。

特にフロントメタル１１ｆ，１１ｇが矩形である場合、その隣接する一対の辺のそれぞれの方向の歪みが当該一対の辺の隣接する部位において集中しやすく、当該部位での歪みが大きい。例えば第１孔２１１はフロントメタル１１ｆ，１１ｇの四隅よりも内側において第１部２１を貫通する。

図８では、領域２１３ｆがフロントメタル１１ｆの四隅よりも内側において矩形環を呈し、領域２１３ｇがフロントメタル１１ｇの四隅よりも内側において矩形環を呈する場合が例示される。そして第１孔２１１は、領域２１３ｆにおいて少なくともフロントメタル１１ｆの四隅に近い位置にあり、領域２１３ｇにおいて少なくともフロントメタル１１ｇの四隅に近い位置にある場合が例示される。

第１孔２１１がフロントメタル１１ｆ，１１ｇの外郭を避けて領域２１３ｆ，２１３ｇに位置する。よって領域２１３ｆ，２１３ｇよりも外側でははんだ３１は存在しない。領域２１３ｆ，２１３ｇは接合層５によって囲まれる。フロントメタル１１ｆ，１１ｇの外郭では、接合層５において亀裂が発生しやすい。

半導体装置１０１と類似して、領域２１３ｆ，２１３ｇよりも外側において亀裂が発生しても、第１孔２１１内のはんだ３１によって当該亀裂の進展が抑制される。半導体素子１への亀裂の進展も抑制される。よって半導体装置１０４の寿命は向上する。はんだ３１がフロントメタル１１ｆ，１１ｇの外郭に存在したりしなかったりする場合と比較して、半導体装置１０４の寿命は均一化される。

領域２１３ｆ，２１３ｇにおける方向Ｘに沿った端部に配置された第１孔２１１は、いずれも方向Ｙに沿って長い。これは実施の形態３で説明された半導体装置１０３の第１孔２１１と類似して、フロントメタル１１ｆ，１１ｇの外郭で発生した亀裂が、それぞれ領域２１３ｆ，２１３ｇの内周側に、特に方向Ｘおよびその反対方向に進展することを抑制する効果を高める観点で、有利である。

＜実施の形態５＞
図１０はこの発明の実施の形態５にかかる半導体装置１０５の構成を例示する平面図である。図１１は半導体装置１０５の構成を例示する断面図であり、図１０の位置XI-XIにおける断面を示す。

半導体装置１０５は、半導体装置１０１と同様に、半導体素子１、リードフレーム２、接合層５、はんだ３１を備える。半導体装置１０５は、半導体装置１０１におけるエミッタ電極１ｅに代替して、エミッタ電極１ｈ，１ｉを備える。半導体装置１０５は、半導体装置１０１におけるフロントメタル１１に代替して、フロントメタル１１ｈ，１１ｉを備える。

エミッタ電極１ｈ，１ｉは、第１部２１と平行に、互いに隔離される。エミッタ電極１ｈ，１ｉは、リードフレーム２が延びる方向Ｘとは異なる方向Ｙに沿って並ぶ。フロントメタル１１ｈ，１１ｉは、第１部２１と平行に、互いに隔離される。フロントメタル１１ｈ，１１ｉは、方向Ｙに沿って並ぶ。なお、方向Ｙとして、図１０および図１１では方向Ｘと垂直であって第１部２１と平行な方向を例示した。図１１は方向Ｙに平行な断面を示す。

フロントメタル１１ｈ，１１ｉはいずれも電極であって、それぞれエミッタ電極１ｈ，１ｉの一部であり、リードフレーム２が接続される対象である。フロントメタル１１ｈ，１１ｉもフロントメタル１１と同様に金属を材料とし、リードフレーム２との間ではんだ接合を実現することを目的とし、例えばはんだ濡れ性の向上を目的として、表面処理されて半導体素子１の外部に露出する。

エミッタ電極１ｈ，１ｉおよびフロントメタル１１ｈ，１１ｉは、図１１では図示の煩雑を避けるために省略されている。但し図１１では、断面視上でエミッタ電極１ｈ，１ｉおよびフロントメタル１１ｈ，１１ｉが存在する位置を、それぞれ領域Ｉ，Ｈ，Ｒｈ，Ｒｉで示す。

接合層５はフロントメタル１１ｈと第１部２１との間にも、フロントメタル１１ｉと第１部２１との間にも存在する。但し、フロントメタル１１ｈとフロントメタル１１ｉとの間（領域Ｒｈ，Ｒｉの間）には存在しない。

図３で示される構成と類似して、接合層５は第１層５１と第２層５２とを有する。フロントメタル１１ｈと第１部２１との間の接合層５が有する第１層５１は、フロントメタル１１ｈの材料である金属と錫との合金であって、フロントメタル１１ｈ側にある。フロントメタル１１ｉと第１部２１との間の接合層５が有する第１層５１は、フロントメタル１１ｉの材料である金属と錫との合金であって、フロントメタル１１ｉ側にある。

図１１では半導体装置１０５が更に封止樹脂８を備える状態が示されており、図１０では封止樹脂８は図示の煩雑を避けるために省略されている。半導体装置１０５ではフロントメタル１１ｈ，１１ｉが隔離されていることを反映して、領域Ｒｈ，Ｒｉの間には接合層５が存在しない。封止樹脂８を設けるに際して、領域Ｒｈ，Ｒｉの間に、流動する封止樹脂８が通過できる。よってフロントメタル１１ｈ，１１ｉを隔離して設けることは、封止樹脂８の流動性を向上させる観点で有利である。

半導体装置１０５はヒートスプレッダ４を備えていてもよい。図１１では半導体素子１および半導体素子１よりもリードフレーム２側の断面が示されている。ヒートスプレッダ４は実施の形態１，２で説明されたはんだ層３４と共に図１１において省略されている。

熱応力による歪みはフロントメタル１１ｈ，１１ｉの外郭に集中しやすく、第１孔２１１はフロントメタル１１ｈ，１１ｉの外郭を避けて第１部２１を貫通する。より具体的にはフロントメタル１１ｈの外郭よりも内側の環状の領域２１３ｈと、フロントメタル１１ｉの外郭よりも内側の環状の領域２１３ｉとにおいて、第１孔２１１が第１部２１を貫通する。

特にフロントメタル１１ｈ，１１ｉが矩形である場合、その隣接する一対の辺のそれぞれの方向の歪みが当該一対の辺の隣接する部位において集中しやすく、当該部位での歪みが大きい。例えば第１孔２１１はフロントメタル１１ｈ，１１ｉの四隅よりも内側において第１部２１を貫通する。

図１０では、領域２１３ｈがフロントメタル１１ｈの四隅よりも内側において矩形環を呈し、領域２１３ｉがフロントメタル１１ｉの四隅よりも内側において矩形環を呈する場合が例示される。そして第１孔２１１は領域２１３ｈにおいて少なくともフロントメタル１１ｈの四隅に近い位置にあり、領域２１３ｉにおいて少なくともフロントメタル１１ｉの四隅に近い位置にある場合が例示される。

第１孔２１１がフロントメタル１１ｈ，１１ｉの外郭を避けて領域２１３ｈ，２１３ｉに位置する。よって領域２１３ｈ，２１３ｉよりも外側でははんだ３１は存在しない。領域２１３ｈ，２１３ｉは接合層５によって囲まれる。フロントメタル１１ｈ，１１ｉの外郭では、接合層５において亀裂が発生しやすい。

半導体装置１０１と類似して、領域２１３ｈ，２１３ｉよりも外側において亀裂が発生しても、第１孔２１１内のはんだ３１によって当該亀裂の進展が抑制される。半導体素子１への亀裂の進展も抑制される。よって半導体装置１０５の寿命は向上する。はんだ３１がフロントメタル１１ｆ，１１ｇの外郭に存在したりしなかったりする場合と比較して、半導体装置１０５の寿命は均一化される。

領域２１３ｈ，２１３ｉにおける方向Ｙに沿った端部に配置された第１孔２１１は、いずれも方向Ｘに沿って長い。これは実施の形態３で説明された半導体装置１０３の第１孔２１１と類似して、フロントメタル１１ｈ，１１ｉの外郭で発生した亀裂が、それぞれ領域２１３ｈ，２１３ｉの内周側に、特に方向Ｙおよびその反対方向に進展することを抑制する効果を高める観点で、有利である。

＜実施の形態６＞
図１２はこの発明の実施の形態６にかかる半導体装置１０６の構成を例示する平面図である。図１３は半導体装置１０６の構成を例示する断面図であり、図１２の位置XIII-XIIIにおける断面を示す。

半導体装置１０６は、第１孔２１１の形状が異なる点以外は、半導体装置１０５と同一の構成を採る。より具体的には、半導体装置１０６においては、領域２１３ｈ，２１３ｉにおける方向Ｙに沿った端部（以下「方向Ｙ端部」と仮称する）に存在する第１孔２１１は、方向Ｘに沿って長いという特徴を有さない。領域２１３ｈ，２１３ｉが呈する矩形環の長手方向は方向Ｘに沿っており、方向Ｙ端部には複数の第１孔２１１が存在する。

半導体装置１０６においても半導体装置１０５と同様に、寿命の向上、均一化、および亀裂の進展の抑制が得られる。但し、半導体装置１０６よりも半導体装置１０５の方が、フロントメタル１１ｈ，１１ｉの外郭で発生した亀裂が、それぞれ領域２１３ｈ，２１３ｉの内周側に、特に方向Ｙおよびその反対方向に進展することを抑制する効果が高い。

半導体装置１０６は、フロントメタル１１ｈ，１１ｉを隔離して備えるので、半導体装置１０１（図１参照）と比較すると、封止樹脂８の流動性を向上させる観点で有利である。

＜実施の形態７＞
図１４はこの発明の実施の形態７にかかる半導体装置１０７の構成を例示する断面図である。半導体装置１０７は半導体装置１０１に対して、複数の突起９を更に備えた構成を有する。

図１４は、一対の突起９と、孔２１０（第１孔２１１であっても第２孔２１２であってもよい）の複数とが現れる位置での断面を示す。図１４では、半導体素子１よりもヒートスプレッダ４側（リードフレーム２とは反対側）を省略した。

突起９は第１部２１と半導体素子１との間に存在する。図１４ではフロントメタル１１が存在する領域Ｒの端部において突起９が存在する場合が例示される。

突起９は例えば３０〜１００μｍの高さを有する。接合層５の最小厚みを確保する観点で、突起９が存在することは有利である。接合層５の厚さを均一にする観点で、突起９が存在することは有利である。

リードフレーム２と、半導体素子１、より具体的にはフロントメタル１１（あるいはエミッタ電極１ｅ）との間での電気的な導通性を得る観点で、突起９は金属、例えば銅、アルミニウムで形成されることが有利である。

＜実施の形態８＞
図１５はこの発明の実施の形態８にかかる半導体装置１０８の構成を例示する断面図である。半導体装置１０８は半導体装置１０１において、第１孔２１１が開口部２１９を有する構成を備える。ここで、第１孔２１１を孔２１０として図示した。つまり本実施の形態は第２孔２１２が設けられる場合への適用も例示する。

図１５は、孔２１０の複数が現れる位置での断面を示す。図１５では、半導体素子１よりもヒートスプレッダ４側（リードフレーム２とは反対側）を省略した。

開口部２１９は、孔２１０のうち半導体素子１とは反対側において存在し、半導体素子１から離れるほど径が増大する。より具体的には半導体素子１の側での孔２１０の径ｄ１よりも、半導体素子１とは反対側で第１部２１の表面に現れる孔２１０の径ｄ２の方が大きい。

半導体素子１とは反対側からリードフレーム２の表面へと溶融はんだを滴下してはんだ３１を形成する観点では、開口部２１９の存在が有利である。開口部２１９の内壁の、第１部２１の厚さ方向に対する傾斜は、滴下された溶融はんだが半導体素子１へ（より具体的にはフロントメタル１１が存在する領域Ｒへ）流動することを誘うからである。

孔２１０の全体が開口部２１９であってもよい。つまり孔２１０は第１部２１において、半導体素子１から離れるほど径が増大してもよい。

＜実施の形態９＞
図１６はこの発明の実施の形態９にかかる半導体装置１０９の構成を例示する断面図である。図１６は、孔２１０の複数が現れる位置での断面を示す。図１６では、半導体素子１よりもヒートスプレッダ４側（リードフレーム２とは反対側）を省略した。

半導体装置１０９は半導体装置１０８に対し、孔２１０の内部のはんだ３１の厚さｔ３が第１部２１の厚さｔ１よりも薄い点で異なる。換言すれば、孔２１０のうち、半導体素子１とは反対側の第１部２１の表面にははんだ３１が存在しない。つまり、開口部２１９の半導体素子１とは反対側の少なくとも一部にははんだ３１が存在しない。

このような厚さｔ１，ｔ３の相違は、封止樹脂８が孔２１０へと入り込む観点で有利である。開口部２１９の内壁の、第１部２１の厚さ方向に対する傾斜は、封止樹脂８が孔２１０へと流動することを容易とする。

封止樹脂８が孔２１０へと入り込むことで、封止樹脂８とはんだ３１との接触面積が減少し、封止樹脂８とリードフレーム２との接触面積が増加する。かかる接触面積の特徴は、封止樹脂８がリードフレーム２から剥離することを抑制する観点で有利である。リードフレーム２が銅を主成分とすることは好適である。銅と封止樹脂８との密着性は、はんだ３１と封止樹脂８との密着性よりも高いからである。

＜実施の形態１０＞
図１７はこの発明の実施の形態１０にかかる半導体装置１１０の構成を例示する断面図である。図１７は、孔２１０の複数が現れる位置での断面を示す。図１７では、半導体素子１よりもヒートスプレッダ４側（リードフレーム２とは反対側）を省略した。

半導体装置１１０は半導体装置１０１に対し、第１部２１の厚さｔ１が第２部２２の厚さｔ２よりも厚い点で異なる。厚さｔ１を厚くすることは、はんだ３１を厚くしてはんだ３１に生じる応力を低減する観点で有利である。厚さｔ２を薄くすることは、リードフレーム２の機械加工と曲げ加工を容易とする観点、および半導体装置１１０の軽量化の観点で有利である。

よって厚さｔ１を厚さｔ２よりも大きくすることは、リードフレーム２の機械加工と曲げ加工を容易としつつはんだ３１を厚くし、半導体装置１１０の軽量化を損なわない観点で有利である。

＜実施の形態１１＞
図１８はこの発明の実施の形態１１にかかる半導体装置１１１の構成を例示する斜視図である。半導体装置１１１は半導体装置１０６に対して、領域２１３ｈ，２１３ｉ（図１２参照）が囲む領域に第２孔２１２（図４参照）が設けられた構成を備える。

図１９は半導体装置１１１の一部、具体的にはリードフレーム２を省略した構成を例示する斜視図である。図２０は半導体装置１１１に採用される半導体素子１を例示する平面図である。当該半導体素子１の構成は、半導体装置１０６においても半導体素子１の構成として採用できる（図１２参照）。

図１８および図１９では簡単のため、エミッタ電極１ｈ，１ｉ、ゲート電極１ｇ、信号電極１ｓ，１ｔ、フロントメタル１１ｈ，１１ｉの描画を省略した。半導体装置１０６の接合層５に相当する接合層５ｈ，５ｉが、図１９において示される。接合層５ｈ，５ｉは不図示のフロントメタル１１ｈ，１１ｉを覆う。接合層５ｈ，５ｉは図１８においては省略される。

接合層５ｈ，５ｉの上方（接合層５ｈ，５ｉに関して半導体素子１とは反対側）では第１部２１には貫通孔２１４が開口する。貫通孔２１４にははんだ材料は設けられない。

図２１は半導体装置１１１の接合層５ｈ，５ｉにおける応力の分布を例示する図である。当該図では、応力が等しい位置が線（以下「等圧線」と称す）で結んで示される。当該応力は半導体素子１を１００℃の温度差で昇温して得られた。三本の等圧線の中央の等圧線は、これを挟む一対の等圧線が示す応力値の平均を示しているとは限らない。領域Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７のそれぞれにおける応力は、この順に高くなる。

接合層５ｈ，５ｉのいずれにおいてもその周辺に近いほど応力は大きい。はんだ３１においては応力が小さい。これは実施の形態１での説明と整合する。

図２２は半導体装置１１１に対する比較例である半導体装置１１２の構成を例示する斜視図である。図２３は半導体装置１１２の一部、具体的にはリードフレーム２を省略した構成を例示する斜視図である。半導体装置１１２においても半導体装置１１１と同様に、図２０で示される半導体素子１が採用される。

半導体装置１１２は半導体装置１１１の複数の孔２１０に代えて、フロントメタル１１ｈ，１１ｉのそれぞれに対して貫通孔２１８が一つずつ設けられる。貫通孔２１８はフロントメタル１１ｈ，１１ｉのそれぞれの、ほぼ中央に位置しする。貫通孔２１８にははんだ３１が設けられる。

図２４は半導体装置１１２の接合層５ｈ，５ｉにおける応力の分布を例示する図である。当該応力は半導体素子１を１００℃の温度差で昇温して得られた。三本の等圧線の中央の等圧線は、これを挟む一対の等圧線が示す応力値の平均を示しているとは限らない。領域Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３のそれぞれにおける応力は、この順に高くなる。

図２１に示された応力分布と同様に、図２４に示された応力分布は、接合層５ｈ，５ｉのいずれにおいてもその周辺に近いほど応力は大きい。しかし図２１に示された応力分布とは異なり、図２４に示された応力分布ははんだ３１の形状を反映しない。これは、半導体装置１１２における接合層５ｈ，５ｉが、半導体装置１１１における接合層５ｈ，５ｉよりも厚く、半導体素子１と第１部２１との間の距離が大きいことが原因と考えられる。このような応力分布では、亀裂がエミッタ電極１ｈ，１ｉの中央部に進展することを抑制する効果は小さい。

＜変形＞
半導体装置１０１〜１１１において採用される半導体素子１は、Ｓｉ（珪素）を主材料とする半導体素子（Ｓｉデバイス）の他、ＳｉＣ（炭化珪素）を主材料とする半導体素子（ＳｉＣデバイス）を採用することができる。ＳｉＣデバイスは、Ｓｉデバイスと比較して損失が低い観点で有利である。また、機械的な特性値であるヤング率は、Ｓｉデバイスでは１７０ＧＰａ程度であり、ＳｉＣデバイスでは４００ＧＰａ程度である。よってＳｉＣデバイスはＳｉデバイスと比較して、熱サイクルに起因した熱変形による追従は発生しにくい。よってＳｉＣデバイスはＳｉデバイスと比較して、半導体素子１および接合層５，５ｈ，５ｉに発生する剪断応力が高い。そこで、接合層５，５ｈ，５ｉで亀裂が発生しやすく、半導体素子１へ亀裂が進展する可能性が低く、半導体装置１０１〜１１１の寿命の均一化を図る利点は、ＳｉデバイスよりもＳｉＣデバイスにおいて効果的に発揮される。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形したり、省略したりすることが可能である。

例えば実施の形態４〜６ではエミッタ電極１ｅに三つ以上のフロントメタルが存在してもよい。

例えば実施の形態７で説明された突起９を半導体装置１０２〜１０６，１０８，１１０のいずれについても採用することができる。

例えば実施の形態８，９で説明された開口部２１９を半導体装置１０２〜１０７，１１０のいずれについても採用することができる。

例えば実施の形態１０で説明された厚さｔ１，ｔ２の関係は、半導体装置１０１〜１０９のいずれについても採用することができる。

この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。

１ 半導体素子、２ リードフレーム、５ 接合層、９ 突起、１１，１１ｆ，１１ｇ，１１ｈ，１１ｉ 電極、２１ 第１部、２２ 第２部、３１ はんだ、５１ 第１層、５２ 第２層、１０１〜１１１ 半導体装置、２１０ 孔、２１１ 第１孔、２１２ 第２孔、２１３，２１３ｆ，２１３ｇ，２１３ｈ，２１３ｉ 領域、２１９ 開口部。

Claims (10)

1. 第１金属を材料とする電極（１１，１１ｆ，１１ｇ，１１ｈ，１１ｉ）を有する半導体素子（１）と、
   第２金属を材料とする第１部（２１）を有し、前記第１部において前記電極の外郭を避けて複数の孔（２１０）が貫通するリードフレーム（２）と、
   前記第１部と前記電極との間にある接合層（５）と、
   前記複数の孔の内部にあって前記接合層と隣接し、前記接合層よりも厚いはんだ（３１）と
   を備え、
   前記複数の孔は前記第１部を前記第１部の厚さ方向に貫通する複数の第１孔（２１１）を含み、
   前記接合層は、
   前記第１金属と錫との合金であって前記電極の側にある第１層（５１）と、
   前記第２金属と錫との合金であって前記第１部の側にある第２層（５２）と
   を有し、
   前記電極の外郭よりも内側の環状の領域（２１３，２１３ｆ，２１３ｇ，２１３ｈ，２１３ｉ）に前記複数の第１孔がある半導体装置（１０１〜１１１）。
2. 前記複数の孔（２１０）は前記環状の領域（２１３）に囲まれて前記厚さ方向に前記第１部（２１）を貫通する第２孔（２１２）を更に有する、請求項１記載の半導体装置（１０２，１１１）。
3. 前記複数の第１孔（２１１）は、前記環状の領域（２１３）に沿って長いスリット形状を呈する、請求項１記載の半導体装置（１０３）。
4. 互いに前記第１部と平行に隔離された複数の電極（１１ｆ，１１ｇ，１１ｈ，１１ｉ）を前記電極として備え、
   前記複数の電極のそれぞれにおいて、前記複数の第１孔（２１１）が前記リードフレームの外郭よりも内側で前記環状の領域（２１３ｆ，２１３ｇ，２１３ｈ，２１３ｉ）にある、請求項１記載の半導体装置（１０４，１０５，１０６）。
5. 前記複数の電極（１１ｆ，１１ｇ）は前記リードフレーム（２）が延びる方向に沿って並ぶ、請求項４記載の半導体装置（１０４）。
6. 前記複数の電極（１１ｈ，１１ｉ）は前記リードフレーム（２）が延びる方向とは異なる方向に並ぶ、請求項４記載の半導体装置（１０５，１０６）。
7. 前記第１部（２１）と前記半導体素子（１）との間に複数の突起（９）を更に備える、請求項１から請求項６のいずれか一つに記載の半導体装置（１０７）。
8. 前記複数の孔（２１０）は、前記半導体素子（１）とは反対側に、前記半導体素子から離れるほど径が増大する開口部（２１９）を有する、請求項１から請求項７のいずれか一つに記載の半導体装置（１０８，１０９）。
9. 前記複数の孔（２１０）の前記内部の前記はんだの厚さは、前記第１部の厚さ（ｔ１）よりも薄い、請求項８記載の半導体装置（１０９）。
10. 前記リードフレーム（２）は、前記第１部（２１）と連結して前記第１部よりも前記半導体素子（１）から遠い第２部（２２）を更に有し、
    前記第１部の厚さ（ｔ１）は、前記第２部の厚さ（ｔ２）よりも厚い、請求項１から請求項９のいずれか一つに記載の半導体装置（１１０）。

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