(57)【要約】【課題】本明細書は、半導体素子が伝熱板に接合されている半導体装置に関し、半導体素子から伝熱板への伝熱効率の向上と、接合部分の信頼性確保を両立する技術を提供する。【解決手段】半導体装置２の伝熱板４の半導体素子３との対向面に、第１突起６と３個以上の第２突起７が設けられている。複数の第２突起７は、第１突起６を囲むように配置されている。複数の第２突起７の高さは等しい。第２突起の先端は、外側に膨らむように湾曲している。複数の第２突起７が半導体素子３に接している。第１突起６の高さは第２突起７の高さよりも低い。第１突起６は半導体素子３に接しないので、第２突起６による半導体素子３の平行度の確保を阻害しない。第１突起６は伝熱板４と半導体素子３の距離を狭め、伝熱効率を高める。【選択図】図４
2020088148.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子が接合層を介して伝熱板に接合されている半導体装置であり、
前記伝熱板の前記半導体素子との対向面に、第１突起が設けられているととともに前記第１突起を囲むように、高さの等しい３個以上の第２突起が設けられており、
前記第２突起は先端が外側に膨らむように湾曲しており、
前記第２突起の先端が前記半導体素子に接しているとともに前記第１突起の高さが前記第２突起の高さよりも低い、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、半導体素子が接合層を介して伝熱板に接合されている半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子がハンダなどの接合層を介して伝熱板に接合されている半導体装置が知られている。一般に、接合層の熱伝導率は伝熱板の熱伝導率よりも低い。接合層を薄くすれば半導体素子から伝熱板への伝熱効率は高まるが、接合層の信頼性（接合力の信頼性）が低下する。半導体素子は熱サイクルを繰り返すため、接合層の信頼性の低下はクラック発生のリスクを高めてしまう。
【０００３】
特許文献１、２には、伝熱板の半導体素子との対向面の中央に突起を設けた半導体装置が開示されている。半導体素子の中央では突起によって伝熱板と半導体素子の距離が縮まるので伝熱効率が高まる。半導体素子の周辺部では突起の領域と比較して接合層が厚くなるため接合性が確保される。特許文献２では、中央の主突起を囲むように複数の副突起を設ける技術も開示されている。副突起は、その幅が主突起の幅よりも短い。複数の副突起は、半導体素子の周辺部での厚みの大きい接合層を確保しつつ、周辺部でも伝熱効率を高める役割を果たす。さらに、半導体素子中央の主突起だけでは伝熱板に対して半導体素子が傾くおそれがあり、副突起は半導体素子の傾きを抑える効果があるとされている。半導体素子が伝熱板に対して傾いていると、半導体素子の周囲において接合層の厚みが不均一化し、接合部分の信頼性が低下してしまう。
【０００４】
他方、半導体素子の傾きを抑える技術として、特許文献３の技術が知られている。特許文献３に開示されている半導体装置は、伝熱板に複数の突起が設けられており、半導体素子が複数の突起に接している。突起の高さによって半導体素子と伝熱板の間に正確な幅の隙間が確保される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−０３９０８１号公報
【特許文献２】特開２０１３−１４９６９５号公報
【特許文献３】特開平１１−１８６３３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献２によると、副突起は半導体素子に接していないため、半導体素子の傾きを完全になくすことはできない。また、特許文献２では、副突起の高さは主突起の高さと略等しく、仮に主突起が副突起よりも高い場合は、副突起による傾き抑制の効果は低くなる。本明細書は、半導体素子から伝熱板への伝熱効率の向上と、接合部分の信頼性確保を両立する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書は、半導体素子が接合層を介して伝熱板に接合されている半導体装置を開示する。伝熱板の半導体素子との対向面に、第１突起が設けられているととともに第１突起を囲むように、高さの等しい３個以上の第２突起が設けられている。第２突起は先端が外側に膨らむように湾曲している。第２突起の先端が半導体素子と接しているとともに第１突起の高さが第２突起の高さよりも低い。第１突起は、半導体素子の中央部分で半導体素子と伝熱板との距離を狭め、伝熱効率を向上させる。一方、第１突起は第２突起よりも低いので、第１突起は半導体素子には接しない。従って、高さの等しい複数の第２突起が確実に半導体素子に接触し、半導体素子と伝熱板の平行を確保する。特に、第２突起は先端が外側に膨らむように湾曲しているので、第２突起と半導体素子は点接触となる。従って、半導体素子と伝熱板との間に第２突起の高さに等しい正確な距離が確保される。第２突起の数は３個が望ましい。
【０００８】
第２突起は伝熱板に対する半導体素子の傾きを抑制することが主目的であり、接合層を排除してしまう体積は小さい方がよい。従って、対向面を平面視したときに第２突起は第１突起よりも小さいとよい。
【０００９】
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施例の半導体装置の斜視図である。
【図２】第１実施例の半導体装置の分解斜視図である。
【図３】伝熱板の平面図である。
【図４】図１のIV−IV線に沿ってカットした半導体装置の断面図である。
【図５】第１変形例の伝熱板の斜視図である。
【図６】第２変形例の伝熱板の斜視図である。
【図７】第２実施例の半導体装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（第１実施例）図面を参照して第１実施例の半導体装置２を説明する。図１に、半導体装置２の斜視図を示す。半導体装置２は、金属製の伝熱板４に、半導体素子３が接合しているデバイスである。半導体素子３は、例えばパワートランジスタであり、発熱量が大きい。それゆえ、半導体素子３に伝熱板４が取り付けられている。半導体素子３は、ハンダ層５を介して伝熱板４に接合されている。半導体素子３は扁平であり、一方の幅広面にコレクタ電極が配置されており、他方の幅広面にはエミッタ電極と制御パッドが配置されている。ハンダ層５は、導電性を有しており、伝熱板４は、ハンダ層５を介して半導体素子３の下面の電極と導通する。すなわち、伝熱板４は、半導体素子３の熱を伝える役割と、半導体素子３の電極に接続される導体の役割を兼ねている。図１では電極と制御パッドの図示は省略している。半導体素子３の上面の電極に導通する導体の図示も省略した。
【００１２】
図２に、半導体装置２の分解斜視図を示す。図２では、ハンダ層５の図示は省略した。伝熱板４の表面に描かれている点線矩形は、半導体素子３の接合予定範囲を意味している。点線矩形の内側の領域は、伝熱板４の半導体素子３との対向面４ａに相当する。
【００１３】
伝熱板４の対向面４ａには、１個の第１突起６と、４個の第２突起７が設けられている。図３に、伝熱板４の平面図を示す。４個の第２突起７は、第１突起６を囲むように配置されている。また、伝熱板４を平面視したとき、４個の第２突起７は、第１突起６よりも小さい。
【００１４】
図４に、図１のIV−IV線に沿ってカットした半導体装置２の断面図を示す。図４は、伝熱板４の対角線上に並んだ第１突起６と２個の第２突起７を通る平面でカットした断面を示している。
【００１５】
第２突起７は、先端が外側に膨らむように湾曲している。第２突起７の先端が半導体素子３に当接している。４個の第２突起７は高さが等しく、全ての第２突起７の先端が半導体素子３に接する。また、図４に示されているように、第１突起６の高さＨ１は、第２突起７の高さＨ２よりも低い。それゆえ、第１突起６は半導体素子３には接しない。
【００１６】
第１突起６と第２突起７の利点を説明する。半導体素子３は、高さの等しい複数の第２突起７に接することで、伝熱板４と半導体素子３の平行が確保される。第２突起７の先端は外側に膨らむように湾曲しているので、半導体素子３は第２突起７の先端に点接触する。半導体素子３と伝熱板４との間に、第２突起７の高さに等しい正確な距離が確保される。半導体素子３と伝熱板４が平行なので、両者を接合するハンダ層５の厚みが均一になり、接合部分（ハンダ層５）の信頼性が確保される。なお、図４は、理解を助けるため、ハンダ層５の厚みを強調して（縦方向に引き伸ばして）描いてある。
【００１７】
一方、第１突起６は、平面視したときに半導体素子３のほぼ中央に対向する。第１突起６によって、伝熱板４と半導体素子３の距離が縮まる。ハンダ層５より金属製の伝熱板４の方が、熱伝導率が高い。第１突起６によって半導体素子３の中央部分で伝熱板４との距離が縮まることで、伝熱効率が向上する。
【００１８】
第１突起６の高さは第２突起７の高さよりも低い。それゆえ、第１突起６が半導体素子３に接触することがない。第１突起６は、複数の第２突起７による平行度の確保を阻害することがない。
【００１９】
第２突起７は伝熱板４に対する半導体素子３の傾きを抑制することが主目的であり、ハンダ層５を排除してしまう体積は小さい方がよい。対向面４ａを平面視したときに第２突起７が第１突起６よりも小さいことで、第２突起７によって排除されるハンダ材の量を抑えることができる。ハンダ材が排除されることによる信頼性低下を抑えることができる。第２突起７の先端が半導体素子３に接することで、第２突起７を介して半導体素子３から伝熱板４への伝熱が促進される。すなわち、複数の第２突起７は、半導体素子３に接することで、伝熱効率の向上にも貢献する。
【００２０】
図５に第１変形例の伝熱板１０４の斜視図を示す。変形例の伝熱板１０４では、半導体素子３との対向面１０４ａに３個の第２突起７が設けられている。３個の第２突起７は、第１突起６を囲むように配置されている。３個の第２突起７は高さが等しく、全てが半導体素子３に接する。３個の第２突起７は、必ず半導体素子３に接する。３点で平面（半導体素子３）が規定されるからである。３個の第２突起７は、いずれか１個が半導体素子３から離れるということがなく、伝熱板４と半導体素子３は、高い精度で平行に保たれる。
【００２１】
図６に第２変形例の伝熱板２０４の斜視図を示す。伝熱板２０４の対向面２０４ａに、先端が平坦な第１突起２０６が設けられている。複数の第２突起７は、対向面２０４ａにて、第１突起２０６を囲むように配置されている。第１突起２０６の高さは第２突起７よりも低い。平坦な先端面を有する第１突起２０６によって、広い範囲で半導体素子３との間に短い距離が保たれる。この構造により、半導体素子３から伝熱板４への伝熱効率がさらに向上する。
【００２２】
（第２実施例）図７に、第２実施例の半導体装置２ａの断面図を示す。半導体装置２ａは、一対の伝熱板３０４、３０５の間に、半導体素子３とスペーサブロック８が挟まれており、半導体素子３とスペーサブロック８が樹脂パッケージ３０９にモールドされている構造を有している。図７では、樹脂パッケージ３０９は仮想線で描いてある。伝熱板３０４、３０５は、一方の幅広面が樹脂パッケージ３０９から露出しており、その幅広面から熱を外部へ放出する。
【００２３】
伝熱板３０４、３０５、及び、スペーサブロック８は、熱伝導率の高い銅で作られている。伝熱板３０４と半導体素子３はハンダ層５ａで接合されている。半導体素子３とスペーサブロック８はハンダ層５ｂで接合されている。スペーサブロック８の反対側の面と伝熱板３０５はハンダ層５ｃで接合されている。
【００２４】
伝熱板３０４の半導体素子３との対向面には、第１突起６ａと複数の第２突起７ａが設けられている。伝熱板３０４は、３個以上の第２突起７ａを有している。複数の第２突起７ａは、第１突起６ａを囲むように配置されている。複数の第２突起７ａは高さが等しい（高さＨ２）。複数の第２突起７ａは先端が外側に膨らむように湾曲しており、全ての第２突起７ａの先端で半導体素子３に接している。第１突起６ａの高さＨ１は、第２突起７ａの高さＨ２よりも低い。３個以上の第２突起７ａにより伝熱板３０４と半導体素子３の平行が確保される。第１突起６ａにより半導体素子３の中央部分で伝熱板４と半導体素子３の距離が短くなり、高い伝熱効率が確保される。
【００２５】
スペーサブロック８の半導体素子３との対向面にも、第１突起６ｂと複数の第２突起７ｂが設けられている。第１突起６ｂと第２突起７ｂも、先の第１突起６ａと第２突起７ａと同じ構造を有している。第１突起６ｂと複数の第２突起７ｂも、第１突起６ａ、第２突起７ａと同じ効果を奏する。
【００２６】
スペーサブロック８の半導体素子３とは反対側にも、第１突起６ｃと複数の第２突起７ｃが設けられている。３個以上の第２突起７ｃがスペーサブロック８と伝熱板３０５の平行を確保する。高さが第２突起７ｃよりも低い第１突起６ｃは、スペーサブロック８から伝熱板３０５への伝熱効率を高める。
【００２７】
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。第２突起は３個以上であれば、第２突起の数に制限はない。しかし、第２突起は３個であることが望ましい。全ての第２突起が確実に半導体素子３に接するからである。半導体素子は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、そのほか、どのようなタイプであってもよい。
【００２８】
第１実施例の半導体装置２も、第２実施例の半導体装置２ａと同様に、半導体素子３が樹脂製のパッケージに封止されていてもよい。
【００２９】
以上、本発明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。本明細書また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、本明細書また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ものである。
【符号の説明】
【００３０】
２、２ａ：半導体装置
３：半導体素子
４、１０４、２０４、３０４、３０５：伝熱板
４ａ、１０４ａ、２０４ａ：対向面
５、５ａ−５ｃ：ハンダ層
６、６ａ−６ｃ、２０６：第１突起
７、７ａ−７ｃ：第２突起
８：スペーサブロック
【図１】
2020088148.tif 000003
【図２】
2020088148.tif 000004
【図３】
2020088148.tif 000005
【図４】
2020088148.tif 000006
【図５】
2020088148.tif 000007
【図６】
2020088148.tif 000008
【図７】
2020088148.tif 000009