(57)【要約】【課題】半導体素子に作用する応力を低減させる。【解決手段】基板（１１）と、基板（１１）上に半田（１３）を介して設けられた半導体素子（１２）と、半導体素子（１２）の上面側から基板（１１）に形成された電極（１１ａ）の上面側に渡って設けられた放熱シート（１５）と、放熱シート（１５）の半導体素子（１２）の上面側および電極（１１ａ）の上面側に設けられた接着シート（１４）とを備え、放熱シート（１５）または接着シート（１４）に半導体素子（１２）に作用する応力を低減させるための応力低減構造が設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に半田を介して設けられた半導体素子と、
前記半導体素子の上面側から前記基板に形成された電極の上面側に渡って設けられた放熱シートと、
前記放熱シートの前記半導体素子の上面側および前記電極の上面側に設けられた接着シートと、を備えたパワーモジュールであって、
前記放熱シートまたは前記接着シートに前記半導体素子に作用する応力を低減させるための応力低減構造が設けられていることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
前記応力低減構造において、
前記接着シートが、前記半導体素子の上面と、前記電極の上面とに分割して配置されていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
【請求項３】
前記応力低減構造において、
前記接着シートに切れ込みが形成されていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
【請求項４】
前記応力低減構造において、
前記接着シートに複数のメッシュが形成されていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
【請求項５】
前記応力低減構造において、
前記接着シートに複数の孔が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
【請求項６】
前記応力低減構造において、
前記放熱シートに対して、前記接着シートがドット状に分割されて貼付されていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
【請求項７】
前記応力低減構造において、
前記電極の上部に、放熱ブロックが設けられ、前記放熱ブロックの上面が、前記接着シートを介して前記放熱シートに接着されていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体素子の高性能化に従って、パワーモジュールの放熱構造の開発が進められている。特許文献１では、カーボングラファイトシート等の熱伝導材料が、半導体素子の上面と、半導体素子を搭載する基板に配置したサーマルビアと、に渡って設けられた構造が開示されている。前記の構造により、半導体素子の上面からの発熱を基板側へと伝熱する放熱経路を形成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−０２５２９４公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体素子の材料にＧａＮを用いる場合、ＧａＮを用いて形成されるチップは、ピエゾ効果を利用して形成されるため、応力の影響が生じやすい。特許文献１に開示される技術では、熱伝導材料と、半導体素子と、の間に接着フィルム等の接着層が形成される。前記を踏まえると、パワーモジュールの製造過程における加熱処理により、接着層が硬化することで、残留応力が発生し、ＧａＮチップに応力を与える。そのため、ＧａＮチップの電気特性を損なう。例えば、ＧａＮ‐ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）のゲート電極にリーク電流が生じる。
【０００５】
本発明の一態様は、前記の問題点に鑑みて為されたものであり、その目的は、半導体素子に作用する応力を低減させることができるパワーモジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るパワーモジュールは、基板と、前記基板上に半田を介して設けられた半導体素子と、前記半導体素子の上面側から前記基板に形成された電極の上面側に渡って設けられた放熱シートと、前記放熱シートの前記半導体素子の上面側および前記電極の上面側に設けられた接着シートとを備えたパワーモジュールであって、前記放熱シートまたは前記接着シートに前記半導体素子に作用する応力を低減させるための応力低減構造が設けられている構成である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の一態様によれば、半導体素子に作用する応力を低減させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態１に係るパワーモジュールの構造を示す図であり、（ａ）は、放熱シート１５の貼付前の構造を示し、（ｂ）は、放熱シート１５の貼付後の構造を示す。
【図２】各パワーモジュールのゲート電極に流れるリーク電流を比較したグラフである。
【図３】（ａ）は、本発明の実施形態２に係るパワーモジュールの構造を示す図であり、（ｂ）は、本発明の実施形態１に係るパワーモジュールの変形例の構造を示す図であり、（ｃ）は、本発明の実施形態１に係るパワーモジュールの別の変形例の構造を示す図である。
【図４】本発明の実施形態３に係るパワーモジュールの構造を示す図である。
【図５】（ａ）は、本発明の実施形態４に係るパワーモジュールの構造を示す図であり、（ｂ）は、本発明の実施形態５に係るパワーモジュールの構造を示す図である。
【図６】接着シートに形成されるメッシュの形成例のバリエーションを示す図である。
【図７】接着シートの構造の一例を示す図である。
【図８】接着シートの構造の別の一例を示す図である。
【図９】（ａ）は、本発明の実施形態６に係るパワーモジュールの構造を示す図であり、（ｂ）は、本発明の実施形態７に係るパワーモジュールの構造を示す図である。
【図１０】従来のパワーモジュールの構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明を具現化する実施の形態について図１〜図９に基づいて説明すれば以下の通りである。以下、説明の便宜上、各実施形態に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、適宜その説明を省略する。
【００１０】
〔課題について〕
まず、図１０に基づき、従来のＧａＮパワーモジュールにおける課題について説明する。一般的なＧａＮパワーモジュールは、横型デバイスである。一方、特許文献１で開示される構成は、積層型半導体パッケージであって、半導体素子を覆うように熱伝導材料層を構成する〔図１０の（ｂ）参照〕。
【００１１】
前記の構成をＧａＮパワーモジュールに適用すると、熱伝導材料層がドレイン電極に接する構造になるため、ドレイン‐ソース間がショートしてしまう。そのため、熱伝導材料層をソース電極側のみに設ける構造〔図１０の（ａ）参照〕を採用すると、ソース電極側の方向のみに応力が発生するため、半導体素子（ＧａＮチップ）により多くの応力が発生する。以下で説明する本発明の態様は、上述した半導体素子に作用する応力を低減させるものである。
【００１２】
〔実施形態１〕
以下、図１および図２に基づき、本発明の実施形態１に係るパワーモジュール１００ａについて説明する。図１の（ａ）は、放熱シート１５貼付前のパワーモジュールの構造を示し、図１の（ｂ）は、放熱シート１５貼付後のパワーモジュール１００ａの構造を示す。
【００１３】
本実施形態に係るパワーモジュール１００ａでは、基板１１上に、半田１３を介して半導体素子１２（ＧａＮチップ）が設けられている。また、半導体素子１２の上面側には、接着シート１４を介して放熱シート１５が設けられている。
【００１４】
半導体素子１２は、結晶の歪み（ピエゾ効果）を利用してチャネルが形成される素子であり、例えば、ＧａＮチップ等が挙げられる。そのため、上述した半導体素子１２の電気特性は、応力の影響を受けやすい。
【００１５】
接着シート１４は、少なくとも放熱シート１５の半導体素子１２の上面側および電極１１ａの上面側に設けられている。接着シート１４は、導電性の接着剤で構成され、例えば、Ａｇペーストやエポキシ樹脂を硬化剤とする導電性シートなどを例示することができる。
【００１６】
また、接着シート１４には、半導体素子１２に作用する応力を低減させるための応力低減構造が設けられている。具体的には、本実施形態では、応力低減構造として、接着シート１４が、半導体素子１２の上面と、電極１１ａの上面とに分割して配置された構造を採用している。これにより、半導体素子１２から基板１１に形成された電極１１ａに向けて作用する応力を低減させることができる。
【００１７】
放熱シート１５は、半導体素子１２の上面側から基板１１に形成された電極１１ａの上面側に渡って設けられており、導電性と高熱伝導性とを兼ねる材料で構成することが好ましい。例えば、放熱シート１５の構成材料としては、カーボングラファイトシートや、炭素繊維プリプレグ、炭素繊維シート等が挙げられる。また、放熱シート１５を、半導体素子１２の上面と、電極１１ａの上面とに渡って設けることで、半導体素子１２の上面をグランドに固定することができる。
【００１８】
パワーモジュール１００ａの製造過程において、接着シート１４を硬化させるために加熱処理を行う。従来では、接着シートを硬化すると、接着シートは応力により収縮する。このため、半導体素子１２に対しても応力がかかるため、半導体素子１２の電気特性を損なう。
【００１９】
また、パワーモジュール１００ａの製造過程における加熱処理により、接着シート１４が硬化することで、残留応力が発生し、半導体素子１２に応力を与える。そのため、半導体素子１２の電気特性を損なう。
【００２０】
一方、本実施形態のパワーモジュール１００ａでは、接着シート１４が、半導体素子１２の上面と、電極１１ａの上面とに分割して配置されているため、接着シート１４の応力を低減させることができる。これにより、半導体素子１２に対する応力を低減することができるため、半導体素子１２の電気特性に対する影響を抑制することができる。
【００２１】
図２は、各パワーモジュールのゲート電極に流れるリーク電流を比較したグラフである。縦軸は、放熱シート貼付前のリーク電流値を１として規格化した規格化ゲートリーク電流の値である。
【００２２】
半導体素子１２のゲート電極に電圧を印加したとき、従来技術（先行特許）を適用した構造では、応力対策をしていないため応力起因のリーク電流が発生し、放熱シートの貼付前と比較してリーク電流が増加するが、本実施形態に係る放熱シート貼付方法ではリーク電流の増加は見られなかった。
【００２３】
〔実施形態２〕
次に、図３の（ａ）に基づき、本発明の実施形態２に係るパワーモジュール１００ｂについて説明する。図３の（ａ）は、パワーモジュール１００ｂの構造を示す図である。
【００２４】
本実施形態のパワーモジュール１００ｂでは、接着シート１４が、放熱シート１５の形成領域の全体に渡って設けられており、接着シート１４の一部に、切れ込み１４ａが設けられている点で、実施形態１のパワーモジュール１００ａと異なっている。切れ込み１４ａは、接着シート１４の半導体素子１２の上面側と電極１１ａの上面側との間を繋ぐ領域に設けられている。
【００２５】
前記の切れ込み１４ａを入れる箇所においては、硬化時に収縮した接着シート１４が半導体素子１２を引っ張るように応力を与えるため（半導体素子１２に対して、横方向の応力を与えるため）、より半導体素子１２の電気特性に影響を与える。そのため、前記で説明した箇所の接着シート１４の一部に切れ込み１４ａを形成している。
【００２６】
本実施形態のパワーモジュール１００ｂは、接着シート１４の一部に切れ込み１４ａが設けられているため、接着シート１４の応力を低減することができる。故に、半導体素子１２に対する応力を低減させることができるため、半導体素子１２の電気特性に対する影響を抑制することができる。
【００２７】
〔変形例１〕
次に、図３の（ｂ）に基づき、上述した実施形態１に係るパワーモジュール１００ａの変形例であるパワーモジュール１００ｃについて説明する。図３の（ｂ）は、パワーモジュール１００ｃの構造を示す図である。本変形例で示すように半導体素子１２にアンダーフィル樹脂またはサイドフィル樹脂を施しても良い。アンダーフィル樹脂またはサイドフィル樹脂とは、半導体素子１２を補強する樹脂材料のことである。例えば、図３の（ｂ）に示すように、本実施形態のパワーモジュール１００ｃは、半導体素子１２の周囲がエポキシ樹脂などの絶縁樹脂１６で囲まれている点で、パワーモジュール１００ａと異なっている。半導体素子１２の周囲を絶縁樹脂１６で囲むことにより、半導体素子１２が補強され、半導体素子１２の端面のリークパスを遮断することができる。
【００２８】
〔変形例２〕
次に、図３の（ｃ）に基づき、上述した実施形態１に係るパワーモジュール１００ａの別の変形例であるパワーモジュール１００ｄについて説明する。本実施形態のパワーモジュール１００ｄでは、放熱ブロック１７を基板１１側に実装し、半導体素子１２と高さを合わせている点で、パワーモジュール１００ａと異なっている。放熱ブロック１７は、電極１１ａ上で接着層１８を介して接着されている。接着層１８の例としては、半田、導電性ペースト、または導電性接着シートなどが考えられる。このような構成によっても、半導体素子１２に対する応力を低減させることができる。放熱ブロック１７の材質は、導電性かつ高熱伝導性があれば良く、例えば、Ｃｕなどを材料とすることができる。
【００２９】
〔実施形態３〕
次に、図４に基づき、本発明の実施形態３に係るパワーモジュール１００ｅについて説明する。図４は、パワーモジュール１００ｅの構造を示す図である。本実施形態のパワーモジュール１００ｅでは、接着シート１４の一部に切れ込み１４ａが設けられている点で、上述したパワーモジュール１００ａと異なっている。本実施形態は、上述した実施形態２の変形例である。切れ込み１４ａは、接着シート１４の半導体素子１２の上面側と電極１１ａの上面側との間を繋ぐ領域に設けられている。以上の構成により、半導体素子１２に対する応力をさらに低減させることができるため、半導体素子１２の電気特性に対する影響をさらに抑制することができる。
【００３０】
〔実施形態４〕
次に、図５の（ａ）に基づき、本発明の実施形態４に係るパワーモジュール１００ｆについて説明する。図５の（ａ）は、パワーモジュール１００ｆの構造を示す図である。本実施形態のパワーモジュール１００ｆでは、放熱シート１５を折り曲げ、半導体素子１２の上面側と電極１１ａの上面側との間を繋ぐ領域において折曲部１５ｂを設けている点で、上述した他の実施形態のパワーモジュールと異なっている。
【００３１】
前記のように放熱シート１５に折曲部１５ｂを設けることにより、半導体素子１２の横方向に働く応力を低減させることができる。以上の構成により、半導体素子１２に対する応力をさらに低減させることができるため、半導体素子１２の電気特性に対する影響をさらに抑制することができる。
【００３２】
〔実施形態５〕
次に、図５の（ｂ）に基づき、本発明の実施形態５に係るパワーモジュール１００ｇについて説明する。図５の（ｂ）は、パワーモジュール１００ｇの構造を示す図である。本実施形態のパワーモジュール１００ｇでは、接着シート１４および放熱シート１５の一部を屈曲させ、半導体素子１２の上面側と電極１１ａの上面側との間を繋ぐ領域において屈曲部１４ｃおよび屈曲部１５ｃを設けている点で、上述した他の実施形態のパワーモジュールと異なっている。
【００３３】
前記のように接着シート１４および放熱シート１５に屈曲部１４ｃおよび屈曲部１５ｃを設けることにより、半導体素子１２の横方向に働く応力を低減させることができる。以上の構成により、半導体素子１２に対する応力をさらに低減させることができるため、半導体素子１２の電気特性に対する影響をさらに抑制することができる。
【００３４】
〔接着シートの構造のバリエーション〕
次に、図６〜図７に基づき、接着シート１４の構造のバリエーションについて説明する。例えば、図６の（ａ）〜（ｃ）に示すように、接着シート１４に複数のメッシュを形成することにより、半導体素子１２に対する応力をさらに低減させることができる。図６の（ａ）は、紙面に対して横方向に複数のメッシュを入れた例である。また、図６の（ｂ）は、紙面に対して縦方向に複数のメッシュを入れた例である。また、図６の（ｃ）は、紙面に対して斜め方向に網目状に複数のメッシュを入れた例である。
【００３５】
また、図７は、接着シート１４に対してパンチングで複数の孔ｈを形成した例を示している。このような構造により、半導体素子１２に対する応力をさらに低減させることができる。
【００３６】
次に、図８は、放熱シート１５に対して、複数のドット状接着シート１４ｇを貼付した例を示している。ドット状接着シート１４ｇは、接着シート１４をドット状に分割したものである。このような構造によっても、半導体素子１２に対する応力をさらに低減させることができる。
【００３７】
〔実施形態６〕
次に、図９の（ａ）に基づき、本発明の実施形態６に係るパワーモジュール１００ｈについて説明する。図９の（ａ）は、パワーモジュール１００ｈの構造を示す図である。
【００３８】
本実施形態では、ドレイン側とソース側の両側の電極１１ａ上において、放熱シート１５が貼付されている点で、上述した実施形態１のパワーモジュール１００ａと異なっている。
【００３９】
ドレイン側とソース側の一方側の接着シート１４を絶縁性接着シートとし、他方側の接着シート１４を導電性接着シートにすることで、ドレイン‐ソース間のショートの課題を解決することができる。また、半導体素子１２の両側に均等に応力がかかるため、応力の影響がキャンセルされる。
【００４０】
〔実施形態７〕
次に、図９の（ｂ）に基づき、本発明の実施形態７に係るパワーモジュール１００ｉについて説明する。図９の（ｂ）は、パワーモジュール１００ｉの構造を示す図である。
【００４１】
本実施形態では、ドレイン側とソース側の両側の電極１１ａ上において放熱ブロック１７が設けられている点で、上述した変形例のパワーモジュール１００ｇと異なっている。これにより、半導体素子１２の両側に均等に応力がかかるため、応力の影響がキャンセルされる。
【００４２】
放熱ブロック１７の材質は、導電性かつ高熱伝導性があれば良く、例えば、Ｃｕなどを材料とすることができる。なお、ドレイン側の放熱ブロックは導電性である必要はないため、Ｃｕだけでなく窒化アルミ（ＡｌＮ）焼結体などの絶縁性の放熱ブロックが考えられる。また、ソース側の放熱ブロック１７を接着する接着層１８は導電性接着剤で構成することが好ましく、ドレイン側の放熱ブロック１７を接着する接着層１８は絶縁性接着剤もしくは導電性接着剤で構成することが好ましい。
【００４３】
〔まとめ〕
本発明の態様１に係るパワーモジュール（１００ａ〜１００ｉ）は、基板（１１）と、前記基板上に半田（１３）を介して設けられた半導体素子（１２）と、前記半導体素子の上面側から前記基板に形成された電極（１１ａ）の上面側に渡って設けられた放熱シート（１５）と、前記放熱シートの前記半導体素子の上面側および前記電極の上面側に設けられた接着シート（１４）とを備えたパワーモジュールであって、前記放熱シートまたは前記接着シートに前記半導体素子に作用する応力を低減させるための応力低減構造が設けられている構成である。
【００４４】
前記構成によれば、放熱シートまたは接着シートに半導体素子に作用する応力を低減させるための応力低減構造が設けられている。このため、半導体素子に作用する応力を低減させることができる。
【００４５】
本発明の態様２に係るパワーモジュールは、前記態様１において、前記応力低減構造において、前記接着シートが、前記半導体素子の上面と、前記電極の上面とに分割して配置されていても良い。前記構成によれば、半導体素子から基板に形成された電極に向けて作用する応力を低減させることができる。
【００４６】
本発明の態様３に係るパワーモジュールは、前記態様１において、前記応力低減構造において、前記接着シート（１４）に切れ込み（１４ａ）が形成されていても良い。前記構成によれば、半導体素子に作用する応力を低減させることができる。
【００４７】
本発明の態様４に係るパワーモジュールは、前記態様１において、前記応力低減構造において、前記接着シート（１４）に複数のメッシュ（１４ｄ〜１４ｆ）が形成されていても良い。前記構成によれば、半導体素子に作用する応力を低減させることができる。
【００４８】
本発明の態様５に係るパワーモジュールは、前記態様１において、前記応力低減構造において、前記接着シート（１４）に複数の孔（ｈ）が形成されていても良い。前記構成によれば、半導体素子に作用する応力を低減させることができる。
【００４９】
本発明の態様６に係るパワーモジュールは、前記態様１において、前記応力低減構造において、前記放熱シート（１５）に対して、前記接着シートがドット状に分割されて（ドット状接着シート１４ｇが）貼付されていても良い。前記構成によれば、半導体素子に作用する応力を低減させることができる。
【００５０】
本発明の態様７に係るパワーモジュールは、前記態様１において、前記応力低減構造において、前記電極の上部に、放熱ブロック（１７）が設けられ、前記放熱ブロックの上面が、前記接着シートを介して前記放熱シートに接着されていても良い。前記構成によれば、半導体素子に作用する応力を低減させることができる。
【００５１】
〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１１    基板
１１ａ  電極
１２    半導体素子
１３    半田
１４    接着シート
１４ａ  切れ込み
１４ｃ  屈曲部
１４ｄ〜１４ｆ  メッシュ
１４ｇ  ドット状接着シート
１５    放熱シート
１５ｂ  折曲部
１５ｃ  屈曲部
１６    絶縁樹脂
１７    放熱ブロック
１８    接着層
１００ａ〜１００ｉ  パワーモジュール
ｈ    孔
【図１】
2020184556.tif 000003
【図２】
2020184556.tif 000004
【図３】
2020184556.tif 000005
【図４】
2020184556.tif 000006
【図５】
2020184556.tif 000007
【図６】
2020184556.tif 000008
【図７】
2020184556.tif 000009
【図８】
2020184556.tif 000010
【図９】
2020184556.tif 000011
【図１０】
2020184556.tif 000012