(57)【要約】【課題】半導体装置に生じる熱応力を低減する。【解決手段】半導体装置は、半導体素子と、半導体素子が載置された金属板と、金属板に埋め込まれた補強部材とを有する。補強部材は、金属板を構成する材料よりも、線膨張係数が小さいとともにヤング率が大きい材料で構成されている。補強部材には、金属板の厚み方向に沿って補強部材を貫通する開口が形成されている。金属板に垂直な方向から平面視したときに、半導体素子の少なくとも一部は、補強部材の開口に重畳する。【選択図】図１
2020113601.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
前記半導体素子が載置された金属板と、
前記金属板に埋め込まれているとともに、前記金属板を構成する材料よりも線膨張係数が小さいとともにヤング率が大きい材料で構成された補強部材と、を備え、
前記補強部材には、前記金属板の厚み方向において前記補強部材を貫通する開口が形成されており、
前記金属板に垂直な方向から平面視したときに、前記半導体素子の少なくとも一部が、前記補強部材の開口に重畳する、
半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、半導体素子と、半導体素子が配置された金属板とを備え、通電によって発生する半導体素子の熱が、金属板を介して外部へ放出されるように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１０９５２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した半導体装置では、半導体素子の発熱に起因して、各々の構成要素が熱膨張する。特に、金属板を構成する金属は、半導体素子を構成する半導体基板よりも、線膨張係数が比較的に大きい。従って、金属板には、半導体素子よりも大きな熱膨張が生じ得る。半導体素子と金属板との間で異なる熱膨張が生じると、例えば半導体素子と金属板との間に位置するはんだ層に、比較的に大きな熱応力が発生することがあり、例えば半導体装置の耐久性が低下するおそれがある。本明細書は、このような問題を解決又は低減し得る技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示する半導体装置は、半導体素子と、半導体素子が載置された金属板と、金属板に埋め込まれた補強部材とを有する。補強部材は、金属板を構成する材料よりも、線膨張係数が低いとともにヤング率が高い材料で構成されている。補強部材には、金属板の厚み方向に沿って前記補強部材を貫通する開口が形成されている。そして、金属板に垂直な方向から平面視したときに、半導体素子の少なくとも一部は、補強部材の開口に重畳する。
【０００６】
上記した半導体装置では、半導体素子が載置された金属板に、補強部材が埋め込まれている。補強部材を構成する材料は、金属板を構成する材料と比較して、線膨張係数が低く、かつ、ヤング率が大きい。従って、金属板の熱変形（熱膨張や熱収縮）が、補強部材によって抑制される。これにより、半導体素子と金属板との間で、それらに生じる熱変形の差が小さくなり、半導体装置の内部（例えば、半導体素子と金属板との間に位置するはんだ層）に生じる応力が低減される。半導体装置の内部に生じる応力が低減されることで、例えば半導体装置の耐久性を向上することができる。
【０００７】
その一方で、金属板に補強部材が埋め込まれていると、半導体素子から金属板を通じた放熱の流れが、補強部材によって阻害されるおそれがある。この点に関して、上記した半導体装置では、金属板に埋め込まれた補強部材に開口が形成されており、その開口の位置では、金属板が補強部材によって分断されることなく、厚み方向において連続する。そして、金属板に垂直な方向から平面視したときに、半導体素子の少なくとも一部が、補強部材の開口に重畳する。このような構成によると、半導体素子から金属板を通じた放熱の流れが、補強部材によって阻害されることを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例の半導体装置１０の構造を模式的に示す断面図。
【図２】半導体装置１０の回路図。
【図３】図１中のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図であって、下側金属板２４の平面視における断面構造を示す。
【図４】放熱の流れ（矢印Ｈ）を模式的に示す図。
【図５】半導体装置１０の一変形例であって、下側金属板２４の上面２４ａに沿って設けられた補強部材２８を示す。
【図６】半導体装置１０の一変形例であって、下側金属板２４の下面２４ｂに沿って設けられた補強部材２８を示す。
【図７】他の実施例の半導体装置１０Ａの構造を模式的に示す断面図。
【図８】他の実施例の半導体装置１０Ｂの構造を模式的に示す断面図。
【図９】半導体装置１０Ｂの変形例であって、補強部材２８に設けられた開口２８ｐの一例を示す図。
【図１０】半導体装置１０Ｂの変形例であって、内側金属板１２４の上面１２４ａに対してリード３４ａが直接的に接続された例を示す図。
【図１１】半導体装置１０Ｂの変形例であって、補強部材２８に設けられた開口２８ｐの他の一例を示す図。
【図１２】半導体装置１０Ｂの変形例であって、補強部材２８に設けられた開口２８ｐの他の一例を示す図。
【図１３】半導体装置１０の変形例であって、グラファイトで構成された補強部材２８による放熱の様子を模式的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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。半導体装置１０は、例えば電気自動車の電力制御装置に採用され、コンバータやインバータといった電力変換回路の少なくとも一部を構成することができる。ここでいう電気自動車は、車輪を駆動するモータを有する自動車を広く意味し、例えば、外部の電力によって充電される電気自動車、モータに加えてエンジンを有するハイブリッド車、及び燃料電池を電源とする燃料電池車等を含む。
【００１０】
図１に示すように、半導体装置１０は、半導体素子１２と、半導体素子１２を封止する封止体１４とを備える。封止体１４は、絶縁性の材料で構成されている。特に限定されないが、本実施例における封止体１４は、例えばエポキシ樹脂といった、封止用材料で構成されている。封止体１４は、概して板形状を有している。なお、本願に添付された図面では、図示明瞭化のために、封止体１４の断面に付されるべきハッチングが省略されている。
【００１１】
図１、図２に示すように、半導体素子１２は、パワー半導体素子であって、上面電極１２ａ及び下面電極１２ｂを有する。上面電極１２ａは、半導体素子１２の上面に位置しており、下面電極１２ｂは、半導体素子１２の下面に位置している。特に限定されないが、半導体素子１２はスイッチング素子であり、上面電極１２ａと下面電極１２ｂとの間を導通及び遮断することができる。上面電極１２ａ及び下面電極１２ｂは、例えばアルミニウム、ニッケル、金といった金属を用いて構成されている。
【００１２】
一例ではあるが、本実施例における半導体素子１２は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）構造１２ｅを有している。上面電極１２ａは、ＩＧＢＴ構造１２ｅのエミッタに接続されており、下面電極１２ｂは、ＩＧＢＴ構造１２ｅのコレクタに接続されている。加えて、半導体素子１２は、ＩＧＢＴ構造１２ｅと並列に接続されたダイオード構造１２ｆを有している。上面電極１２ａは、ダイオード構造１２ｆのアノードに接続されており、下面電極１２ｂは、ダイオード構造１２ｆのカソードに接続されている。なお、他の実施形態として、半導体素子１２は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）構造を有してもよい。この場合、上面電極１２ａは、ＭＯＳＦＥＴ構造のソースに接続され、下面電極１２ｂは、ＭＯＳＦＥＴ構造のドレインに接続される。
【００１３】
半導体装置１０は、上側金属板２２及び下側金属板２４をさらに備える。上側金属板２２及び下側金属板２４は、例えば銅又はアルミニウムといった金属で構成されており、優れた導電性及び熱伝導性を有する。上側金属板２２は、導体スペーサ２３及び半導体素子１２を挟んで、下側金属板２４と対向している。上側金属板２２と導体スペーサ２３との間は、はんだ層４２を介して互いに接合されており、導体スペーサ２３と半導体素子１２の上面電極１２ａは、はんだ層４４を介して互いに接合されている。これにより、上側金属板２２は、半導体素子１２と電気的に接続されているとともに、半導体素子１２と熱的にも接続されている。同様に、下側金属板２４と半導体素子１２の下面電極１２ｂとの間も、はんだ層４６を介して接続されている。これにより、下側金属板２４は、半導体素子１２と電気的に接続されているとともに、半導体素子１２と熱的にも接続されている。
【００１４】
半導体装置１０は、上側リードフレーム３２及び下側リードフレーム３４を備える。上側リードフレーム３２及び下側リードフレーム３４は、例えば銅又はアルミニウムといった金属で構成されており、優れた導電性及び熱伝導性を有する。上側リードフレーム３２は、上側金属板２２に接合されているとともに、一又は複数のリード３２ａを備える。リード３２ａは、封止体１４の内外に亘って延びており、外部の電力回路に接続される。同様に、下側リードフレーム３４は、下側金属板２４に接合されているとともに、一又は複数のリード３４ａを備える。下側リードフレーム３４のリード３２ａについても、封止体１４の内外に亘って延びており、外部の電力回路に接続される。
【００１５】
ここで、本実施例の半導体装置１０では、上側金属板２２と上側リードフレーム３２とが独立した部材で構成されているが、他の実施形態として、上側金属板２２と上側リードフレーム３２とが単一の部材によって一体的に構成されてもよい。同様に、下側金属板２４と下側リードフレーム３４とについても、単一の部材によって一体的に構成されてもよい。
【００１６】
本実施例の半導体装置１０では、上側金属板２２及び下側金属板２４に、補強部材２６、２８が設けられている。この点に関して、上側金属板２２及び下側金属板２４は、互いに同一の構成を有している。以下では、下側金属板２４の構成を主に説明し、上側金属板２２の構成について重複する説明は適宜省略する。下側金属板２４及びその補強部材２８に関する下記の説明は、特段の記載がない限り、上側金属板２２及びその補強部材２６にも適用される。なお、同様の補強部材が、金属で構成された導体スペーサ２３にも設けられてもよい。補強部材を有する導体スペーサ２３は、上側金属板２２や下側金属板２４と同じく、本技術における金属板の一例に該当する。
【００１７】
図１、図３に示すように、下側金属板２４の補強部材２８は、下側金属板２４に埋め込まれている。補強部材２８は、下側金属板２４を構成する材料よりも、線膨張係数が小さいとともにヤング率が大きい材料で構成されている。補強部材２８を構成する材料は、特に限定されないが、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ３０２）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）といったセラミックや、ニッケル（Ｎｉ）又はクロム（Ｃｒ）といった金属であってもよい。このような補強部材２８が下側金属板２４に設けられていることで、下側金属板２４に生じる熱変形（熱膨張及び熱収縮）が抑制される。
【００１８】
下側金属板２４の補強部材２８は、下側金属板２４の外周面２４ｅに沿って枠状に設けられており、その中央部分に開口２８ｐを有している。開口２８ｐは、下側金属板２４の厚み方向において補強部材２８を貫通しており、下側金属板２４を構成する材料によって満たされている。開口２８ｐは、半導体素子１２の位置に合わせて設けられており、半導体素子１２は、当該開口２８ｐの直上に位置している。即ち、下側金属板２４に垂直な方向から平面視したときに（図３参照）、半導体素子１２が補強部材２８の開口２８ｐに重畳する。なお、本実施例の半導体装置１０では、当該平面視において、半導体素子１２の全体が補強部材２８の開口２８ｐに重畳するが、他の実施形態として、半導体素子１２の一部のみが補強部材２８の開口２８ｐに重畳してもよい。
【００１９】
以上のように、本実施例の半導体装置１０では、半導体素子１２が載置された下側金属板２４に、補強部材２８が埋め込まれている。補強部材２８を構成する材料は、下側金属板２４を構成する材料と比較して、線膨張係数が低く、かつ、ヤング率が大きい。従って、下側金属板２４の熱変形が、補強部材２８によって抑制される。これにより、半導体素子１２と下側金属板２４との間で、それらに生じる熱変形の差が小さくなり、半導体装置１０の内部（例えば、半導体素子１２と下側金属板２４との間に位置するはんだ層４６）に生じる応力が低減される。半導体装置１０の内部に生じる応力が低減されることで、例えば半導体装置１０の耐久性を向上することができる。
【００２０】
その一方で、下側金属板２４に補強部材２８が埋め込まれていると、半導体素子１２から下側金属板２４を通じた放熱の流れが、補強部材２８によって阻害されるおそれがある。この点に関して、本実施例の半導体装置１０では、下側金属板２４に埋め込まれた補強部材２８に開口２８ｐが形成されており、その開口２８ｐの位置では、下側金属板２４が補強部材２８によって分断されることなく、厚み方向において連続する。そして、下側金属板２４に垂直な方向から平面視したときに、半導体素子１２は補強部材２８の開口２８ｐに重畳している。即ち、半導体素子１２は、補強部材２８の開口２８ｐの直上に位置している。このような構成によると、図４に示すように、半導体素子１２から下側金属板２４を通じた放熱の流れ（矢印Ｈ）が、補強部材２８によって阻害されることを抑制することができる。
【００２１】
前述したように、同様の構成は上側金属板２２にも採用されている。即ち、上側金属板２２にも、補強部材２６が埋め込まれており、その補強部材２６は、上側金属板２２を構成する材料よりも、線膨張係数が小さいとともにヤング率が大きい材料で構成されている。これにより、上側金属板２２に生じる熱変形が抑制される。加えて、その補強部材２６は、上側金属板２２の外周面２２ｅに沿って枠状に設けられており、その中央部分に開口２６ｐを有している。そして、上側金属板２２に垂直な方向から平面視したときに、半導体素子１２が補強部材２６の開口２６ｐに重畳する。これにより、半導体素子１２から上側金属板２２を通じた放熱の流れが、補強部材２６によって阻害されることを抑制することができる。
【００２２】
上記した半導体装置１０において、補強部材２６、２８の具体的な構成は、適宜変更されてもよい。例えば、本実施例における下側金属板２４では、下側金属板２４の厚み方向に関して、補強部材２８が中間位置に設けられている。これに対して、図５に示すように、補強部材２８は、下側金属板２４の上面２４ａに沿って設けられてもよい。このような構成によると、下側金属板２４における放熱の流れ（矢印Ｈ）が、補強部材２８によって阻害され難く、広範囲に広がりやすくなる。あるいは、図６に示すように、補強部材２８は、下側金属板２４の下面２４ｂに沿って設けられてもよい。このような構成によると、補強部材２８が絶縁体で構成されている場合、電流の経路が制約されることで、半導体素子１２の直下端部における電流密度が減少するので、例えば接合部分のエレクトロマイグレーションが抑制される。
【００２３】
図７は、他の実施例の半導体装置１０Ａを示す。この半導体装置１０Ａでは、半導体素子１２の上面電極１２ａに、ボンディングワイヤ５０を介してリード３２ａが接続されている。なお、ボンディングワイヤ５０を省略し、リード３２ａが半導体素子１２の上面電極１２ａへ直接的に接続されてもよい。その他の構成については、上述した半導体装置１０と同様である。即ち、半導体装置１０Ａは、半導体素子１２と、半導体素子１２が載置された下側金属板２４とを備える。下側金属板２４には、補強部材２８が埋め込まれている。この補強部材２８は、下側金属板２４を構成する材料よりも、線膨張係数が小さいとともにヤング率が大きい材料で構成されている。補強部材２８には開口２８ｐが形成されており、下側金属板２４に垂直な方向から平面視したときに、半導体素子１２の少なくとも一部は、補強部材２８の開口２８ｐに重畳する。
【００２４】
図８は、他の実施例の半導体装置１０Ｂを示す。この半導体装置１０Ｂでは、図７に示した半導体装置１０Ａと比較して、下側金属板２４の代わりに絶縁積層基板１２０が採用されている。絶縁積層基板１２０は、絶縁基板１２２と内側金属板１２４と外側金属板１２６とを備える。内側金属板１２４は、はんだ層４６を介して、半導体素子１２の下面電極１２ｂに接合されている。また、内側金属板１２４には、ボンディングワイヤ５２を介して、リード３４ａが接続されている。これにより、リード３４ａは、内側金属板１２４を介して、半導体素子１２の下面電極１２ｂに電気的に接続されている。なお、絶縁積層基板１２０は、特に限定されないが、例えばＡＭＣ（Active Metal brazed Copper）基板、ＤＢＣ（Direct Bond Copper）基板、あるいはＤＢＡ（Direct Bond Aluminum）基板であってよい。
【００２５】
内側金属板１２４には、補強部材２８が埋め込まれている。補強部材２８は、内側金属板１２４を構成する材料よりも、線膨張係数が小さいとともにヤング率が大きい材料で構成されている。これにより、内側金属板１２４に生じる熱変形が、補強部材２８によって抑制される。補強部材２８は、内側金属板１２４の外周面１２４ｅに沿って枠状に設けられており、その中央部分に開口２８ｐを有している。そして、内側金属板１２４に垂直な方向から平面視したときに、半導体素子１２が補強部材２８の開口２８ｐに重畳する。これにより、半導体素子１２から上側金属板２２を通じた放熱の流れが、補強部材２６によって阻害されることを抑制することができる。
【００２６】
図８に示す半導体装置１０Ｂでは、内側金属板１２４の厚み方向に関して、補強部材２８が中間位置に設けられている。しかしながら、他の実施形態として、補強部材２８は、内側金属板１２４の上面１２４ａに沿って設けられてもよいし、内側金属板１２４の下面１２４ｂに沿って設けられてもよい。但し、図９に示すように、補強部材２８を内側金属板１２４の上面１２４ａに沿って設ける場合は、補強部材２８の開口２８ｐをボンディングワイヤ５２の接合箇所Ａまで拡張し、内側金属板１２４の上面１２４ａに沿って電流経路Ｂを設けるとよい。なお、図１０に示すように、ボンディングワイヤ５２を省略し、内側金属板１２４の上面１２４ａに、リード３４ａを直接的に接合してもよい。また、図１１、図１２に示すように、補強部材２８に設ける開口２８ｐの形状（特に、電流経路Ｂの形状）は、例えば電流のスムーズな流れを考慮して、適宜設計変更することができる。
【００２７】
図１３に示すように、補強部材２８は、例えばグラファイトのような、熱伝導に関して異方性を有する材料で構成されてもよい。グラファイトは、ａ軸方向の熱伝導性が優れており、その熱伝導率は銅（Ｃｕ）の熱伝導率の３〜４倍に達する。そのことから、補強部材２８をグラファイトで構成するとともに、そのａ軸方向を下側金属板２４と平行とすることで、放熱の経路（矢印Ｈ）を下側金属板２４の全体へ広げることができる。この場合、特に限定されないが、補強部材２８は、下側金属板２４の上面２４ａに沿って設けるとよい。図示省略するが、グラファイトは、下側金属板２４の補強部材２８に限られず、上側金属板２２の補強部材２６や、絶縁積層基板１２０の内側金属板１２４の補強部材２８にも同様に採用することができる。
【００２８】
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、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書、又は、図面に例示した技術は、複数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。
【符号の説明】
【００２９】
１０、１０Ａ、１０Ｂ：半導体装置
１２：半導体素子
１４：封止体
２２、２４、１２４：金属板
２６、２８：補強部材
３２、３４：リードフレーム
３２ａ、３４ａ：リード
【図１】
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【図２】
2020113601.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2020113601.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2020113601.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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