JP2020096085A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子の熱が信号端子を介して外部装置に伝達されることを抑制する。【解決手段】本明細書が開示する半導体装置は、主電極と信号パッドとを有する半導体素子と、半導体素子を封止する封止体と、封止体の内部で半導体素子の主電極に接続されているとともに、封止体の表面において露出された導体部材と、その一端が封止体の内部で半導体素子の信号パッドに接合層を介して接合されているとともに、その他端が封止体から突出する信号端子と、封止体の内部で導体部材上に設けられているとともに、信号端子を支持する支持部材とを備える。信号端子には、その長手方向に沿って断面積が局所的に減少するくびれ部が設けられている。支持部材は、信号端子の一端からくびれ部までの区間に接触している。支持部材を構成する材料は、絶縁性を有するとともに、封止体を構成する材料よりも熱伝導率が高い。【選択図】図３

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、リード端子と半導体素子とを備え、リード端子が半導体素子の電極に接合層を介して接合されている。

特開平１１−０４０７２８号公報

上記した半導体装置のように、信号端子と半導体素子の信号パッドとの間が接合層を介して接合されていると、例えばボンディングワイヤを介して接続される場合と比較して、半導体素子から信号端子への熱伝達経路が広くて短くなるので（即ち、ボンディングワイヤは細くて長い）、半導体装置の使用に伴って生じる半導体素子の発熱が信号端子に伝達され易い。従って、信号端子が接続される外部装置にもその熱が伝達され易くなり、外部装置に熱による影響を与えるおそれがある。本明細書では、信号端子が半導体素子の信号パッドに接合層を介して接合されている半導体装置において、半導体素子の熱が信号端子を介して外部装置に伝達されることを抑制する技術を提供する。

本明細書が開示する半導体装置は、主電極と信号パッドとを有する半導体素子と、半導体素子を封止する封止体と、封止体の内部で半導体素子の主電極に接続されているとともに、封止体の表面において露出された導体部材と、その一端が封止体の内部で半導体素子の信号パッドに接合層を介して接合されているとともに、その他端が封止体から突出する信号端子と、封止体の内部で導体部材上に設けられているとともに、信号端子を支持する支持部材とを備える。信号端子には、その長手方向に沿って断面積が局所的に減少するくびれ部が設けられている。支持部材は、信号端子の一端からくびれ部までの区間に接触している。支持部材を構成する材料は、絶縁性を有するとともに、封止体を構成する材料よりも熱伝導率が高い。

上記した半導体装置の信号端子には、その長手方向に沿って断面積が局所的に減少するくびれ部が設けられている。さらに、半導体装置は、絶縁性を有する支持部材も備える。支持部材は、導体部材上に設けられており、且つ、信号端子を支持することによって、くびれ部が設けられた信号端子の変形を抑制する。加えて、この支持部材は、封止体を構成する材料よりも熱伝導率が高い材料を用いて構成されている。これにより、支持部材は、導体部材と信号端子との間を熱的に接続するバイパス経路としても機能する。特に、支持部材は、信号端子の一端からくびれ部までの区間に接触しており、信号端子の比較的に温度が高まっている当該区間から、封止体の表面に露出する導体部材へと効率的に熱を伝えることができる。これにより、半導体素子の熱が信号端子を介して外部装置に伝達されることが効果的に抑制される。

実施例の半導体装置１０を示す上面図。 半導体装置１０の内部構造を示す上面図。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図。 リードフレーム２を用意する工程を示す下面側斜視図。 リードフレーム２に支持部材１８を設ける工程を示す下面側斜視図。 上側ヒートシンク２２、４２を用意する工程を示す下面側斜視図。 上側ヒートシンク２２、４２をリードフレーム２に接続する工程を示す下面側斜視図。 第１リフロー工程を示す下面側斜視図。 下側ヒートシンク２４、４４を用意する工程を示す下面側斜視図。 第２リフロー工程を示す下面側斜視図。 封止体５０を成形する工程を示す下面側斜視図。

図面を参照して、実施例の半導体装置１０とその製造方法について説明する。図１−図３に示すように、半導体装置１０は、第１半導体素子２０、第２半導体素子４０、複数の外部接続端子１２、１３、１４、１５、１６及び封止体５０を備える。第１半導体素子２０及び第２半導体素子４０は、封止体５０内で封止されている。封止体５０は、絶縁性を有する材料で構成されている。特に限定されないが、封止体５０を構成する材料は、エポキシ樹脂といった熱硬化性の樹脂材料であってもよい。各々の外部接続端子は封止体５０の外部から内部に亘って延びており、封止体５０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１２、１３、１４、１５、１６には、信号用である複数の第１信号端子１２及び複数の第２信号端子１３と、電力用であるＯ端子１４、Ｐ端子１５及びＮ端子１６が含まれる。

第１半導体素子２０は、主電極である上面電極２０ａ及び下面電極２０ｂと、複数の信号パッド２０ｃとを有する。上面電極２０ａ及び信号パッド２０ｃ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。同様に、第２半導体素子４０は、主電極である上面電極４０ａ及び下面電極４０ｂ（図８参照）と、複数の信号パッド４０ｃとを有する。上面電極４０ａ及び信号パッド４０ｃ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の下面に位置している。第１半導体素子２０の各々の電極２０ａ、２０ｂ、２０ｃ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の各々の電極４０ａ、４０ｂ、４０ｃ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。第１半導体素子２０の信号パッド２０ｃには、第１信号端子１２が接続されている。同様に第２半導体素子４０の信号パッド４０ｃには、第２信号端子１３が接続されている。

第１半導体素子２０及び第２半導体素子４０は、互いに同種の半導体素子であり、一例ではあるが、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。但し、第１半導体素子２０及び第２半導体素子４０の各々は、ＩＧＢＴに限定されず、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）又はダイオード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及び第２半導体素子４０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。

半導体装置１０は、第１半導体素子２０と接続された第１上側ヒートシンク２２及び第１下側ヒートシンク２４と、第２半導体素子４０と接続された第２上側ヒートシンク４２及び第２下側ヒートシンク４４とを備える。第１上側ヒートシンク２２及び第１下側ヒートシンク２４は、例えば、銅、銅合金、又はその他の金属といった、導電性を有し、かつ、熱伝導性に優れた材料を用いて構成されることができる。第１上側ヒートシンク２２は、概して直方体形状の部材であり、上面２２ａと、その上面２２ａの反対側に位置する下面２２ｂとを有する。また、一例ではあるが、第１上側ヒートシンク２２は、その下面２２ｂから突出するスペーサ部２２ｃを一体に有する。そのため、本実施例では、別体の導体スペーサを必要としない構造になっている。但し、スペーサ部２２ｃは、必ずしも必要ではなく、複数の第１信号端子１２が第１半導体素子２０の信号パッド２０ｃに接続されるためのスペースを確保している。第１上側ヒートシンク２２の上面２２ａは、封止体５０の上面において露出される。第１上側ヒートシンク２２の下面２２ｂは、スペーサ部２２ｃにおいて、第１半導体素子２０の上面電極２０ａにはんだ層２１を介して接合される。即ち、第１上側ヒートシンク２２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。ここで、第１上側ヒートシンク２２は、本明細書が開示する技術における導体部材の一例である。

第１下側ヒートシンク２４は、概して直方体形状の部材であり、上面２４ａとその上面２４ａの反対側に位置する下面２４ｂとを有する。第１下側ヒートシンク２４の上面２４ａは、第１半導体素子２０の下面電極２０ｂにはんだ層２３を介して接合されている。即ち、第１下側ヒートシンク２４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上側ヒートシンク２２及び第１下側ヒートシンク２４は第１半導体素子２０で発生した熱を外部に放出する放熱板としても機能する両面冷却構造を有する。このような構造を有する半導体装置１０は、不図示の冷却器と互いに交互に配置された半導体モジュールとして用いられる。

図２、図３に示すように、第１信号端子１２の一端１２ａは、封止体５０の内部に位置しており、第１半導体素子２０の信号パッド２０ｃにはんだ層２５を介して接合されている。第１信号端子１２の他端１２ｂは、封止体５０の外部に位置しており、例えば半導体装置１０の動作を制御する制御基板といった、外部装置に接続される。ここで、はんだ層２５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。また、第１信号端子１２には、凹部１２ｃが設けられている。第１信号端子１２の凹部１２ｃは、その凹部１２ｃが形成するエッジ部において、はんだ層２５に隣接している。従って、第１信号端子１２の一端１２ａが信号パッド２０ｃにはんだ付けされるとき、第１信号端子１２のエッジ部では、溶融したはんだに生じる表面張力により、はんだの過剰な濡れ広がりが抑制される。また、第１信号端子１２には、その長手方向に沿って断面積が局所的に減少するくびれ部１２ｄが設けられている。

加えて、半導体装置１０は支持部材１８を備える。支持部材１８は、上側ヒートシンク２２の下面２２ｂに設けられているとともに、第１信号端子１２を支持する。支持部材１８は、第１信号端子１２の一端１２ａからくびれ部１２ｄまでの区間に接触している。この支持部材１８を構成する材料には、絶縁性を有するとともに、封止体５０を構成する材料よりも熱伝導率が高いものが用いられる。一例ではあるが、支持部材１８は、樹脂にセラミック又はグラファイト等のフィラーが含有された材料を用いて構成されていてもよい。

一般に、上述したような信号パッド２０ｃに直接的に接続された第１信号端子１２を有する半導体装置１０では、細くて長いボンディングワイヤを介して接続される場合と比較して、第１半導体素子２０から第１信号端子１２への熱伝達経路が広くて短くなる。そのため、半導体装置１０の使用に伴って生じる第１半導体素子２０の発熱が第１信号端子１２に伝達され易い。従って、第１信号端子１２が接続される不図示の外部装置にもその熱が伝達され易くなり、その外部装置に熱による影響を与えるおそれがある。

上記した課題を解決するために、本実施例の第１信号端子１２には、その長手方向に沿って断面積が局所的に減少するくびれ部が設けられている。これにより、第１信号端子１２を伝わる熱の経路が狭くなるので、第１信号端子１２の一端１２ａから他端１２ｂに向かう熱伝導が抑制される。さらに、半導体装置１０は、絶縁性を有する支持部材１８も備える。支持部材１８は、第１上側ヒートシンク２２の下面２２ｂ上に設けられており、且つ、第１信号端子１２を支持することによって、くびれ部１２ｄが設けられた第１信号端子１２の変形を抑制する。加えて、この支持部材１８は、封止体５０を構成する材料よりも熱伝導率が高い材料を用いて構成されている。これにより、支持部材１８は、第１上側ヒートシンク２２と第１信号端子１２との間を熱的に接続するバイパス経路としても機能する。特に、支持部材１８は、第１信号端子１２の一端１２ａからくびれ部１２ｄまでの区間に接触しており、第１信号端子１２の比較的に温度が高まっている当該区間から、封止体５０の上面に露出する第１上側ヒートシンク２２へと効率的に熱を伝えることができる。これにより、第１半導体素子２０の熱が第１信号端子１２を介して外部装置に伝達されることが効果的に抑制される。

本発明者らは、本実施例の半導体装置１０の使用時を想定した条件下において、第１信号端子１２の温度をシミュレーションによって検証した。上述したように、本実施例の半導体装置１０の第１信号端子１２には、その長手方向に沿って断面積が局所的に減少するくびれ部１２ｄが設けられている。加えて、半導体装置１０は封止体５０の内部で第１上側ヒートシンク２２上に設けられているとともに、第１信号端子１２を支持する支持部材１８を備える。その支持部材１８は、第１信号端子１２の一端１２ａからくびれ部１２ｄまでの区間に接触している。支持部材１８を構成する材料は、絶縁性を有するとともに、封止体５０を構成する材料よりも熱伝導率が高い。このような構造であると、第１信号端子１２の温度は６０℃であった。これに対して、第１信号端子１２にくびれ部１２ｄが設けられておらず、且つ、半導体装置１０が支持部材１８を備えていない従来構造では、信号端子の温度は９０℃であった。即ち、半導体装置１０では、第１信号端子１２の温度が従来構造よりも約３割低減された。

加えて、上述したように、支持部材１８は、第１信号端子１２を支持することによって、くびれ部１２ｄが設けられた第１信号端子１２の変形を抑制する。そのため、第１信号端子１２と第１半導体素子２０との間の絶縁距離も確保される。また、第１信号端子１２の変形を抑制するため、第１半導体素子２０の信号パッド２０ｃに対する第１信号端子１２の姿勢が保持され、精度よく接合することができる。

第２半導体素子４０側についても、第１半導体素子２０側と同様の構成が採用されている。そのことから、第２上側ヒートシンク４２、第２下側ヒートシンク４４、第２信号端子１３についての重複する説明は省略する。本実施例の半導体装置１０では、第２半導体素子４０の熱も第２信号端子１３を介して外部装置に伝達されることが効果的に抑制される。

図２に示すように、第１上側ヒートシンク２２には、継手部２２ｄが設けられている。継手部２２ｄは、第１上側ヒートシンク２２の一方の端部から延びている。同様に、第１下側ヒートシンク２４には継手部２４ｄが設けられており、第２下側ヒートシンク４４には継手部４４ｄが設けられている。第１上側ヒートシンク２２の継手部２２ｄは、第２下側ヒートシンク４４の継手部４４ｄに接続されており、例えばはんだ付けによって接合されてよい。第１下側ヒートシンク２４の継手部２４ｄは、Ｐ端子１５に接続されており、例えばはんだ付けによって接合されてよい。各継手部２２ｄ、２４ｄ、４４ｄは、各々のヒートシンク２２、２４、４４に一体に形成されている。但し、これに限定されず、各継手部２２ｄ、２４ｄ、４４ｄは、各々のヒートシンク２２、２４、４４とは別体の部材によって構成されていてもよい。また、Ｏ端子１４は第１上側ヒートシンク２２の下面２２ｂに接続されており、Ｎ端子１６は、第２上側ヒートシンク４２の下面４２ｂに接続されている。一例ではあるが、これらの接続方法は、例えば溶接によって接続されていてよい。

本実施例の上側ヒートシンク２２は、一体に形成されたスペーサ部２２ｃを有する。但し、上側ヒートシンク２２とは別体の導体スペーサを用いてもよい。また、上述したが、上側ヒートシンク２２、４２は本明細書が開示する技術における導体部材の一例であり、これに限定されない。導体部材は、例えば、絶縁基板の両面に導体層を有するＤＢＣ（Direct Bonded Copper）基板、ＤＢＡ（Direct Bonded Aluminum）基板、あるいはＡＭＣ（Active Metal Brazed Copper）基板であってもよい。

図４−図１１を参照して、半導体装置１０の製造方法の一例について説明する。図４に示すように、リードフレーム２を用意する。このリードフレーム２には、複数の第１信号端子１２、複数の第２信号端子１３、Ｏ端子１４、Ｐ端子１５及びＮ端子１６が設けられている。前述したように、これらの端子１２、１３、１４、１５、１６は、半導体装置１０の外部接続端子である。リードフレーム２は、例えば銅又はその他の金属といった導体で構成されることができる。一例ではあるが、このリードフレーム２は、プレス加工で作製されてもよい。

図５に示すように、リードフレーム２に対して支持部材１８を設ける。前述したように、支持部材１８は、第１信号端子１２及び第２信号端子１３を支持する部材である。支持部材１８は、例えば樹脂を用いたインサート成形によって行うことができる。このとき、支持部材１８は、第１信号端子１２の一端１２ａからくびれ部１２ｄまでの区間に接触するように形成される。また、支持部材１８は、第２信号端子１３についても同様に接触するように形成される。一例ではあるが、成形する樹脂溶液には例えばセラミック又はグラファイト等の熱伝導の高いフィラーを混合してもよい。これにより、支持部材１８の熱伝導度が高められる。また、支持部材１８は、複数の第１信号端子１２の両側に設けられた他のリード端子（吊りリード４ともいう）も含めて支持するように形成されてよい。これにより、第１信号端子１２の変形を抑制する効果がさらに高められる。第２信号端子１３においても、同様に支持部材１８が吊りリード４も含めて支持するように形成されてよい。

図６に示すように、第１上側ヒートシンク２２及び第２上側ヒートシンク４２を用意する。上側ヒートシンク２２、４２は、例えば銅、銅合金又は他の金属といった導体で構成されることができる。一例ではあるが、上側ヒートシンク２２、４２は、プレス加工によって作製されてもよい。

図７に示すように、リードフレーム２を第１上側ヒートシンク２２及び第２上側ヒートシンク４２上に接続する。各々の接続箇所は、例えば溶接によって接続されることができる。これにより、支持部材１８も、上側ヒートシンク２２、４２の下面２２ｂ、４２ｂに取り付けられる。一例ではあるが、ここで、レーザ照射によってリードフレーム２の表面２ａ及び上側ヒートシンク２２、４２の下面２２ｂ、４２ｂに粗面化処理を実施してもよい。これにより、リードフレーム２の表面２ａや上側ヒートシンク２２、４２の下面２２ｂ、４２ｂ上に微細な凹凸形状が形成され、後述する封止体５０を成形する工程でのリードフレーム２及び上側ヒートシンク２２、４２と封止体５０を構成する材料（例えば樹脂）との密着性を良好にすることができる。また、後述する下側ヒートシンク２４、４４についても、同様のレーザ照射を行ってもよい。但し、各部材のレーザ照射を実施する範囲は、次で説明する第１半導体素子２０及び第２半導体素子４０等の構成部材を接合する範囲は除外する。

図８に示すように、第１リフロー工程において、第１上側ヒートシンク２２及び第２上側ヒートシンク４２と第１信号端子１２及び第２信号端子１３との上に、第１半導体素子２０及び第２半導体素子４０をはんだ付けする。詳しくは、第１上側ヒートシンク２２のスペーサ部２２ｃにおける下面２２ｂに第１半導体素子２０の上面電極２０ａをはんだ付けし、第１信号端子１２の一端１２ａに第１半導体素子２０の信号パッド２０ｃをはんだ付けする。同様に、第２上側ヒートシンク４２は第２半導体素子４０の上面電極４０ａとはんだ付けし、第２信号端子１３は第２半導体素子４０の信号パッド４０ｃとはんだ付けする。ここで、はんだ付けに用いられるはんだは、例えばシート形状のものを用いることができる。

図９に示すように、第１下側ヒートシンク２４及び第２下側ヒートシンク４４を用意する。下側ヒートシンク２４、４４は、例えば銅、銅合金又は他の金属といった導体で構成されることができる。一例ではあるが、下側ヒートシンク２４、４４は、プレス加工によって作製されてもよい。

図１０に示すように、第２リフロー工程において、第１下側ヒートシンク２４及び第２下側ヒートシンク４４を第１半導体素子２０及び第２半導体素子４０にはんだ付けする。詳しくは、第１半導体素子２０の下面電極２０ｂに第１下側ヒートシンク２４の上面２４ａをはんだ付けする。同様に、第２半導体素子４０の下面電極４０ｂに第２下側ヒートシンク４４の上面４４ａをはんだ付けする。また、このときに第１上側ヒートシンク２２の継手部２２ｄと第２下側ヒートシンク４４の継手部４４ｄもはんだ付けする。同様に、第１下側ヒートシンク２４の継手部２４ｄとＰ端子１５もはんだ付けする。ここで、はんだ付けに用いられるはんだは、例えばシート形状のものを用いることができる。

図１１に示すように、封止体５０の成形を行い、リードフレーム２の不要な部分を除去する。第１半導体素子２０及び第２半導体素子４０を含む他の構成部材を封止材で封止する。一例ではあるが、封止体５０の成形は、エポキシ樹脂を用いたインサート成形によって行うことができる。封止体５０の成形後、必要に応じて封止体５０の表面を切削加工することにより、上側ヒートシンク２２、４２の上面２２ａ、４２ａや下側ヒートシンク２４、４４の下面２４ｂ、４４ｂを露出させる。以上により、半導体装置１０は完成する。但し、ここで説明する半導体装置１０の製造方法はほんの一例であり、この製造方法に限定されない。また、第１リフロー工程と第２リフロー工程とは、別工程として実施したが、これらの工程を併せて行ってもよい。

以上、いくつか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る。

２：リードフレーム
１０：半導体装置
１２：第１信号端子
１２ａ：第１信号端子の一端
１２ｂ：第１信号端子の他端
１２ｃ：凹部
１２ｄ：くびれ部
１３：第２信号端子
１４：Ｏ端子
１５：Ｐ端子
１６：Ｎ端子
１８：支持部材
２０：第１半導体素子
２０ａ：上面電極
２０ｂ：下面電極
２０ｃ：信号パッド
２１、２３、２５：はんだ層
２２：第１上側ヒートシンク
２２ｃ：スペーサ部
２２ｄ、４２ｄ、４４ｄ：継手部
２４：第１下側ヒートシンク
４０：第２半導体素子
４０ａ：上面電極
４０ｂ：下面電極
４０ｃ：信号パッド
４２：第２上側ヒートシンク
４４：第２下側ヒートシンク
５０：封止体

Claims (1)

1. 主電極と信号パッドとを有する半導体素子と、
   前記半導体素子を封止する封止体と、
   前記封止体の内部で前記半導体素子の前記主電極に接続されているとともに、前記封止体の表面において露出された導体部材と、
   その一端が前記封止体の内部で前記半導体素子の前記信号パッドに接合層を介して接合されているとともに、その他端が前記封止体から突出する信号端子と、
   前記封止体の内部で前記導体部材上に設けられているとともに、前記信号端子を支持する支持部材と、
   を備え、
   前記信号端子には、その長手方向に沿って断面積が局所的に減少するくびれ部が設けられており、
   前記支持部材は、前記信号端子の前記一端から前記くびれ部までの区間に接触しており、
   前記支持部材を構成する材料は、絶縁性を有するとともに、前記封止体を構成する材料よりも熱伝導率が高い、
   半導体装置。

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