JP7147186B2 - 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。この半導体装置は、半導体素子と、半導体素子に導体スペーサを介して接続された放熱板と、放熱板に接続された電力端子とを備える。

特開２０１２－２３５０８１号公報

上記した半導体装置では、放熱板に、導体スペーサと電力端子とがそれぞれはんだ付けされている。このような構造では、半導体装置を製造するときに、放熱板に対して、導体スペーサと電力端子とを同時にはんだ付けすることができる。ここで、二つの部材が互いにはんだ付けされるときは、溶融したはんだの表面張力に起因して、二つの部材の間に吸着力が作用する。従って、一つの部材（以下、第１部材とする）に対して、二つの部材（以下、第２部材及び第３部材とする）が同時にはんだ付けされると、第１部材に関しては、上述した吸着力が二箇所で作用することになる。この場合、それらの吸着力によって第１部材の位置や姿勢が変化しやすく、半導体装置の寸法精度が低下するおそれがある。本明細書は、このような事象の発生を抑制して、半導体装置の寸法精度を向上し得る技術を提供する。

本明細書が開示する技術は、半導体装置に具現化される。この半導体装置は、第１部材と、第１部材に第１はんだ層を介して接合された第２部材と、第１部材に第２はんだ層を介して接合された第３部材とを備える。第１部材の第１はんだ層に接触する範囲を第１はんだ接合エリアとし、第１部材の第２はんだ層に接触する範囲を第２はんだ接合エリアとしたときに、第１部材の重心は、平面視において、第１はんだ接合エリアと第２はんだ接合エリアとを結ぶ範囲内に位置する。ここでいう平面視とは、第１部材に対して第２部材が接合された方向（即ち、第１はんだ層に垂直な方向）に沿って観察することを意味する。

上記した半導体装置では、第１部材に、第２部材と第３部材との二つが接合されている。このような構造であると、半導体装置の製造工程では、第１部材に対して、第２部材と第３部材とを同時にはんだ付けすることができる。前述したように、第１部材に対して第２部材と第３部材とを同時にはんだ付けすると、第１部材に関しては、はんだの表面張力に起因する吸着力が、第１はんだ接合エリアと第２はんだ接合エリアの二箇所で作用する。この点に関して、第１部材の重心は、平面視において、第１はんだ接合エリアと第２はんだ接合エリアとを結ぶ範囲内に位置している。これにより、はんだの表面張力に起因する二つの吸着力は、第１部材の重心を挟んで両側にそれぞれ作用することになるので、第１部材の位置や姿勢（特に姿勢）の変化が抑制される。その結果、半導体装置の寸法精度を向上させることができる。

実施例の半導体装置１０の平面図。 半導体装置１０の内部構造を示す平面図。 図１中の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。 第２上側放熱板４２の第１はんだ接合エリアＳ１及び第２はんだ接合エリアＳ２を示す平面図。 半導体装置１０の製造工程において、第２上側放熱板４２に第２導体スペーサ４４とＮ端子１５とを同時にはんだ付けする様子を示す図。 第２上側放熱板４２の一変形例を示す図。 図６中のＶＩＩ－ＶＩＩ線における断面図であって、図６と共に第２上側放熱板４２の一変形例を示す。

図面を参照して、実施例の半導体装置１０について説明する。本実施例の半導体装置１０は、例えば電気自動車、ハイブリッド車、燃料電池車といった電動自動車において、コンバータやインバータといった電力変換回路に用いることができる。但し、半導体装置１０の用途は特に限定されない。半導体装置１０は、様々な装置や回路に広く採用することができる。

図１、図２、図３に示すように、半導体装置１０は、第１半導体素子２０と、第２半導体素子４０と、封止体１２と、複数の外部接続端子１４、１５、１６、１８、１９とを備える。第１半導体素子２０と第２半導体素子４０は、封止体１２の内部に封止されている。封止体１２は、特に限定されないが、例えばエポキシ樹脂といった熱硬化性樹脂で構成されている。各々の外部接続端子１４、１５、１６、１８、１９は、封止体１２の外部から内部に亘って延びており、封止体１２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１４、１５、１６、１８、１９には、電力用であるＰ端子１４、Ｎ端子１５及びＯ端子１６と、信号用である複数の第１信号端子１８及び複数の第２信号端子１９が含まれる。

第１半導体素子２０は、上面電極２０ａと下面電極２０ｂとを有する。上面電極２０ａ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。第１半導体素子２０は、上下一対の電極２０ａ、２０ｂを有する縦型の半導体素子である。同様に、第２半導体素子４０は、上面電極４０ａと下面電極４０ｂとを有する。上面電極４０ａ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の下面に位置する。即ち、第２半導体素子４０についても、上下一対の電極４０ａ、４０ｂを有する縦型の半導体素子である。本実施例における第１半導体素子２０と第２半導体素子４０は、互いに同種の半導体素子であり、詳しくはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）とダイオードとを内蔵するＲＣ－ＩＧＢＴ（Reverse Conducting IGBT）素子である。

但し、第１半導体素子２０と第２半導体素子４０の各々は、ＲＣ－ＩＧＢＴ素子に限定されず、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）素子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と第２半導体素子４０の各々は、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。第１半導体素子２０の上面電極２０ａ及び下面電極２０ｂ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の上面電極４０ａ及び下面電極４０ｂ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。

半導体装置１０は、第１上側放熱板２２と、第１導体スペーサ２４と、第１下側放熱板２６とをさらに備える。第１導体スペーサ２４は、例えば銅又はその他の金属といった導電性を有する材料を用いて構成されている。第１導体スペーサ２４は、概して板形状あるいはブロック形状の部材であり、上面２４ａと、上面２４ａとは反対側に位置する下面２４ｂとを有する。第１導体スペーサ２４は封止体１２内に位置している。第１導体スペーサ２４の上面２４ａは、第１上側放熱板２２にはんだ層２３を介して接合されている。第１導体スペーサ２４の下面２４ｂは、第１半導体素子２０の上面電極２０ａにはんだ層２５を介して接合されている。即ち、第１導体スペーサ２４は、第１半導体素子２０に電気的に接続されている。第１導体スペーサ２４は、必ずしも必要とされないが、第１信号端子１８を第１半導体素子２０に接続する際のスペースを確保する。

第１上側放熱板２２及び第１下側放熱板２６は、例えば銅、アルミニウム又はその他の金属といった熱伝導性に優れた材料で構成されている。第１上側放熱板２２は、概して直方体形状又は板形状の部材であり、上面２２ａと、上面２２ａとは反対側に位置する下面２２ｂとを有する。第１上側放熱板２２の上面２２ａは、封止体１２の上面１２ａにおいて外部に露出されている。また、第１上側放熱板２２の下面２２ｂは、前述した第１導体スペーサ２４の上面２４ａにはんだ層２３を介して接合されている。即ち、第１上側放熱板２２は第１導体スペーサ２４を介して第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上側放熱板２２は、半導体装置１０の電気回路の一部を構成するだけでなく、第１半導体素子２０の熱を外部に放出する放熱板としても機能する。

第１下側放熱板２６は、概して直方体形状又は板形状の部材であり、上面２６ａと、上面２６ａとは反対側に位置する下面２６ｂとを有する。第１下側放熱板２６の下面２６ｂは、封止体１２の下面１２ｂにおいて外部に露出されている。また、第１下側放熱板２６の上面２６ａは、第１半導体素子２０の下面電極２０ｂにはんだ層２７を介して接合されている。即ち、第１下側放熱板２６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下側放熱板２６においても半導体装置１０の電気回路の一部を構成するだけでなく、第１半導体素子２０の熱を外部に放出する放熱板としても機能する。このように、本実施例の半導体装置１０は、封止体１２の両面１２ａ、１２ｂに第１上側放熱板２２及び第１下側放熱板２６が露出される両面冷却構造を有する。

また、半導体装置１０は、第２上側放熱板４２と、第２導体スペーサ４４と、第２下側放熱板４６とをさらに備える。第２導体スペーサ４４は、例えば銅又はその他の金属といった導電性を有する材料を用いて構成されている。第２導体スペーサ４４は、概して板形状あるいはブロック形状の部材であり、上面４４ａと、上面４４ａとは反対側に位置する下面４４ｂとを有する。第２導体スペーサ４４は封止体１２内に位置している。第２導体スペーサ４４の上面４４ａは、第２上側放熱板４２にはんだ層４３を介して接合されている。第２導体スペーサ４４の下面４４ｂは、第２半導体素子４０の上面電極４０ａにはんだ層４５を介して接合されている。即ち、第２導体スペーサ４４は、第２半導体素子４０に電気的に接続されている。第２導体スペーサ４４は、必ずしも必要とされないが、第２信号端子１９を第２半導体素子４０に接続する際のスペースを確保する。

第２上側放熱板４２及び第２下側放熱板４６は、例えば銅、アルミニウム又はその他の金属といった熱伝導性に優れた材料で構成されている。第２上側放熱板４２は、概して直方体形状又は板形状の部材であり、上面４２ａと、上面４２ａとは反対側に位置する下面４２ｂとを有する。第２上側放熱板４２の上面４２ａは、封止体１２の上面１２ａにおいて外部に露出されている。また、第２上側放熱板４２の下面４２ｂは、前述した第２導体スペーサ４４の上面４４ａにはんだ層４３を介して接合されている。即ち、第２上側放熱板４２は第２導体スペーサ４４を介して第２半導体素子４０と電気的及び熱的に接続されている。これにより、第２上側放熱板４２は、半導体装置１０の電気回路の一部を構成するだけでなく、第２半導体素子４０の熱を外部に放出する放熱板としても機能する。

第２下側放熱板４６は、概して直方体形状又は板形状の部材であり、上面４６ａと、上面４６ａとは反対側に位置する下面４６ｂとを有する。第２下側放熱板４６の下面４６ｂは、封止体１２の下面１２ｂにおいて外部に露出されている。また、第２下側放熱板４６の上面４６ａは、第２半導体素子４０の下面電極４０ｂにはんだ層４７を介して接合されている。即ち、第２下側放熱板４６は、第２半導体素子４０と電気的及び熱的に接続されている。これにより、第２下側放熱板４６においても半導体装置１０の電気回路の一部を構成するだけでなく、第２半導体素子４０の熱を外部に放出する放熱板としても機能する。このように、本実施例の半導体装置１０は、封止体１２の両面１２ａ、１２ｂに第２上側放熱板４２及び第２下側放熱板４６が露出される両面冷却構造を有する。第２下側放熱板４６は、後述する第１継手部２２ｃ及び第２継手部４６ｃを介して、第１上側放熱板２２に接続されている。

上述したように、半導体装置１０は外部接続端子として、Ｐ端子１４、Ｎ端子１５及びＯ端子１６を備える。本実施例におけるＰ端子１４、Ｎ端子１５及びＯ端子１６は、銅で構成されている。但し、Ｐ端子１４、Ｎ端子１５及びＯ端子１６は、銅に限定されず、他の導体で構成されてもよい。Ｐ端子１４は、封止体１２の内部において、第１下側放熱板２６の上面２６ａに接続されている。Ｎ端子１５は、封止体１２の内部において、第２上側放熱板４２の下面４２ｂに接続されている。そして、Ｏ端子１６は、第２下側放熱板４６の上面４６ａに接続されている。一例ではあるが、Ｐ端子１４及びＯ端子１６は、それぞれ第１下側放熱板２６及び第２下側放熱板４６に一体に形成されている。但し、Ｐ端子１４及びＯ端子１６の一方又は両方は、それぞれ第１下側放熱板２６及び第２下側放熱板４６に例えば溶接によって接合されてもよい。また、Ｎ端子１５は、後述するが、第２上側放熱板４２の継手部４２ｃにはんだ付けによって接合されている。半導体装置１０は外部接続端子として、複数の第１信号端子１８及び複数の第２信号端子１９もまた備える。本実施例における複数の信号端子１８、１９は、第１半導体素子２０及び第２半導体素子４０に、それぞれボンディングワイヤ１８ａ、１９ａによって接続されている。

図２、図３に示すように、半導体装置１０の第１上側放熱板２２は、導体で構成された第１継手部２２ｃをさらに有する。同様に、第２下側放熱板４６も、導体で構成された第２継手部４６ｃをさらに有する。第１継手部２２ｃ及び第２継手部４６ｃは、封止体１２の内部に位置している。第１上側放熱板２２の第１継手部２２ｃは、第２下側放熱板４６の第２継手部４６ｃにはんだ層５０を介して接合されている。即ち、第１継手部２２ｃ及び第２継手部４６ｃは、第１上側放熱板２２と第２下側放熱板４６との間を電気的に接続している。これにより、第１半導体素子２０と第２半導体素子４０は、第１継手部２２ｃ及び第２継手部４６ｃを介して直列に接続される。第１継手部２２ｃ及び第２継手部４６ｃは、例えば銅で構成されることができる。第１継手部２２ｃと第１上側放熱板２２とは、一体に形成されていてもよいし、互いに接合されていてもよい。この場合の接合手法は、特に限定されず、例えば溶接によって接合されていてもよい。同様に、第２継手部４６ｃと第２下側放熱板４６とは、一体に形成されていてもよいし、互いに接合されていてもよい。この場合の接合手法においても、特に限定されず、例えば溶接によって接合されていてもよい。

半導体装置１０の第２上側放熱板４２は、導体で構成された第３継手部４２ｃをさらに有する。第３継手部４２ｃは、封止体１２の内部に位置しており、はんだ層５２（図５参照）を介してＮ端子１５に接合されている。これにより、第２半導体素子４０は、第２上側放熱板４２及び第３継手部４２ｃを介して、Ｎ端子１５へ電気的に接続されている。第３継手部４２ｃは、例えば銅で構成されることができる。第３継手部４２ｃと第２上側放熱板４２とは、一体に形成されていてもよいし、互いに接合されていてもよい。この場合の接合手法は、特に限定されず、例えば溶接によって接合されていてもよい。

図２、図３に示すように、第１上側放熱板２２の下面２２ｂには、はんだ層２３を取り囲むようにはんだ吸収溝２２ｄが設けられている。このはんだ吸収溝２２ｄにより、第１導体スペーサ２４と第１上側放熱板２２とをはんだ付けする際に、余剰なはんだは収容され、意図しない範囲まではんだが濡れ広がることを防止することができる。同様に、第２上側放熱板４２の下面４２ｂには、はんだ層４３を取り囲むようにはんだ吸収溝４２ｄが設けられている。このはんだ吸収溝４２ｄにより、第２導体スペーサ４４と第２上側放熱板４２とをはんだ付けする際に、余剰なはんだは収容され、意図しない範囲まで濡れ広がることを防止することができる。一例ではあるが、本実施例の半導体装置１０では、第１上側放熱板２２と第２上側放熱板４２とに、同じ形状の部材が採用されている。

第１上側放熱板２２では、第１継手部２２ｃにも、はんだ吸収溝２２ｅが設けられている。はんだ吸収溝２２ｅは、第２継手部４６ｃとの間に位置するはんだ層５０を取り囲むように設けられている。このはんだ吸収溝２２ｅにより、第１継手部２２ｃと第２継手部４６ｃとをはんだ付けする際に、余剰なはんだは収容され、意図しない範囲まではんだが濡れ広がることを防止することができる。同様に、第２上側放熱板４２の継手部４２ｃにも、はんだ吸収溝４２ｅが設けられている。このはんだ吸収溝４２ｅは、Ｎ端子１５との間に位置するはんだ層５２（図５参照）を取り囲むように設けられている。このはんだ吸収溝４２ｅにより、第２上側放熱板４２の継手部４２ｃとＮ端子１５とをはんだ付けする際に、余剰なはんだは収容され、意図しない範囲まで濡れ広がることを防止することができる。

本実施例の半導体装置１０では、第２上側放熱板４２に、第２導体スペーサ４４とＮ端子１５とがそれぞれはんだ付けされている。図４は、第２上側放熱板４２を平面視した図であり、第２上側放熱板４２の第１はんだ接合エリアＳ１と第２はんだ接合エリアＳ２とを示している。第１はんだ接合エリアＳ１とは、第２導体スペーサ４４がはんだ付けされた範囲であって、第２導体スペーサ４４との間に位置するはんだ層４３が接触する範囲である。第２はんだ接合エリアＳ２とは、Ｎ端子１５がはんだ付けされた範囲であって、Ｎ端子１５との間に位置するはんだ層５２が接触する範囲である。ここで、第２上側放熱板４２の重心４２ｇは、平面視において、第１はんだ接合エリアＳ１と第２はんだ接合エリアＳ２とを結ぶ範囲Ｓ３内に位置する。この範囲Ｓ３は、第１はんだ接合エリアＳ１と第２はんだ接合エリアＳ２との間に位置し、第１はんだ接合エリアＳ１及び第２はんだ接合エリアＳ２を含まないものとする。

上記した構造によると、図５に示すように、半導体装置１０を製造するときは、第２上側放熱板４２に対して、第２導体スペーサ４４とＮ端子１５とを同時にはんだ付けすることができる。ここで、二つの部材が互いにはんだ付けされるときは、溶融したはんだの表面張力に起因して、二つの部材の間に吸着力が作用する。図５に示すはんだ付けでは、一つの第２上側放熱板４２に、第２導体スペーサ４４とＮ端子１５との二つが同時にはんだ付けされるので、第２上側放熱板４２に対しては、第１はんだ接合エリアＳ１と第２はんだ接合エリアＳ２とに、吸着力Ｆ１、Ｆ２がそれぞれ作用する。なお、一例ではあるが、図５に例示するはんだ付けでは、第２下側放熱４６、第２半導体素子４０及び第２導体スペーサ４４を予めはんだ付けすることによって積層体Ｘが形成されており、治具Ｊを用いて積層体Ｘ、第２上側放熱板４２及びＮ端子１５の三者が位置決めされる。

単一の第２上側放熱板４２に、吸着力Ｆ１、Ｆ２のような外力が二箇所に作用すると、第２上側放熱板４２の位置や姿勢が変化しやすく、半導体装置１０の寸法精度が低下するおそれがある。特に、第２上側放熱板４２の重心４２ｇに対して、二つの吸着力Ｆ１、Ｆ２が偏って作用したときは、第２上側放熱板４２の姿勢が変化しやすい（即ち、傾きやすい）。この点に関して、本実施例の半導体装置１０では、前述したように、第２上側放熱板４２の重心４２ｇが、平面視において、第１はんだ接合エリアＳ１と第２はんだ接合エリアＳ２とを結ぶ範囲Ｓ３内に位置している（図４参照）。このような構成によると、溶融したはんだの表面張力に起因する二つの吸着力Ｆ１、Ｆ２は、第２上側放熱板４２の重心４２ｇを挟んで両側にそれぞれ作用するので、第２上側放熱板４２の位置や、特に姿勢の変化が抑制される。その結果、半導体装置１０の寸法精度が向上し得る。

実施例の半導体装置１０では、第２上側放熱板４２の重心４２ｇが、平面視において第１はんだ接合エリアＳ１と第２はんだ接合エリアＳ２とを結ぶ範囲Ｓ３内に位置するように、第１はんだ接合エリアＳ１の位置が調整されている。これに代えて、又は加えて、図６、図７に示すように、例えば第２上側放熱板４２の厚みを部分的に変更し、これによって第２上側放熱板４２の重心４２ｇを調整してもよい。これにより、第１はんだ接合エリアＳ１を、第２上側放熱板４２の幾何学的な中心に近付けることが可能となり、例えば第２上側放熱板４２による放熱効果を高めることができる。

本明細書で開示する技術は、上記に例示した第２上側放熱板４２に限られず、様々な半導体装置において各種の部材に適用することができる。実施例における第２上側放熱板４２は、本明細書が開示する技術における第１部材の一例である。実施例における第２導体スペーサ４４は、本明細書が開示する技術における第２部材の一例であり、第２上側放熱板４２と第２導体スペーサ４４とを接合するはんだ層４３は、本明細書が開示する技術における第１はんだ層の一例である。また、実施例におけるＮ端子１５は、本明細書が開示する技術における第３部材の一例であり、第２上側放熱板４２とＮ端子１５とを接合するはんだ層５２は、本明細書が開示する技術における第２はんだ層の一例である。

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。

１０：半導体装置
１２：封止体
１４：Ｐ端子
１５：Ｎ端子
１６：Ｏ端子
１８、１９：信号端子
２０、４０：半導体素子
２２、４２：上側放熱板
２３、２５、２７、４３、４５、４７、５０：はんだ層
２４、４４：導体スペーサ
２６、４６：下側放熱板
４２ｃ：第２上側放熱板の継手部
４２ｇ：第２上側放熱板の重心
Ｆ１、Ｆ２：はんだの表面張力に起因する吸着力
Ｓ１：第１はんだ接合エリア
Ｓ２：第２はんだ接合エリア

Claims (1)

1. 上面電極及び下面電極とを有する第１半導体素子と、
   前記第１半導体素子の前記下面電極に、電気的及び熱的に接続された第１下側放熱板と、
   前記第１半導体素子の前記上面電極に、第１導体スペーサを介して電気的及び熱的に接続された第１上側放熱板と、
   上面電極及び下面電極とを有する第２半導体素子と、
   前記第２半導体素子の前記下面電極に、電気的及び熱的に接続されているとともに、前記第１上側放熱板に継手部を介して電気的に接続された第２下側放熱板と、
   前記第２半導体素子の前記上面電極に、第２導体スペーサを介して電気的及び熱的に接続された第２上側放熱板と、
   前記第１下側放熱板に電気的に接続された第１外部接続端子と、
   前記第２上側放熱板に電気的に接続された第２外部接続端子と、
   前記第２下側放熱板に電気的に接続された第３外部接続端子と、
   を備え、
   前記第２上側放熱板には、第１はんだ層を介して前記第２導体スペーサが接合されているとともに、第２はんだ層を介して前記第２外部接続端子が接合されており、
   前記第２上側放熱板の前記第１はんだ層に接触する範囲を第１はんだ接合エリアとし、前記第２上側放熱板の前記第２はんだ層に接触する範囲を第２はんだ接合エリアとしたときに、
   前記第２上側放熱板の重心は、平面視において、前記第１はんだ接合エリアと前記第２はんだ接合エリアとを結ぶ範囲内に位置する、
   半導体装置。

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