(57)【要約】【課題】本明細書は、電極面積が異なる第１素子と第２素子が基板平面内で並んで形成されている半導体装置に関し、基板平面内の温度ばらつきを抑制する技術を提供する。【解決手段】半導体装置２は、第１素子１３と第２素子１４が基板平面内で並んで形成されている基板１０と、基板１０の一方の主面に対向している金属板２０を備えている。基板の一方の主面上に、第１素子の電極（第１電極１３ａ）と、第２素子の電極（第２電極１４ａ）が露出している。第２電極１４ａの面積は第１電極１３ａの面積よりも小さい。金属板２０は、接合層５を介して第１電極１３ａと第２電極１４ａに接合されている。金属板２０には、その熱伝導率が接合層５の熱伝導率よりも高い材料が用いられている。金属板２０の主面と対向する面に凹凸が設けられており、凸部２１が第２電極１４ａに対向しており、凹部２２が第１電極１３ａに対向している。【選択図】図３
2020061428.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１素子と第２素子が基板平面内で並んで形成されている基板であって、前記基板の一方の主面上に前記第１素子の電極（第１電極）と前記第２素子の電極（第２電極）が露出している基板と、
接合層を介して前記第１電極と前記第２電極に接合されている金属板と、
を備えており、
前記第２電極の面積が前記第１電極の面接よりも小さく、
前記金属板の熱伝導率が前記接合層の熱伝導率よりも高く、
前記金属板の前記主面と対向する面に凹凸が設けられており、凸部が前記第２電極に対向しており、凹部が前記第１電極に対向している、半導体装置。
【請求項２】
前記第１素子はトランジスタであり、前記第２素子はダイオードである、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記金属板は、前記凸部の厚みが前記凹部の厚みよりも大きい、請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
第１素子と第２素子が基板平面内で並んで形成されている基板であって、前記基板の一方の主面上に前記第１素子の電極（第１電極）と前記第２素子の電極（第２電極）が露出している基板と、
前記第１電極と前記第２電極に接合されている金属板と、
を備えており、
前記第２電極の面積が前記第１電極の面接よりも小さく、
前記金属板は、前記第１電極に第１金属が対向しており、前記第２電極に第２金属が対向している異種金属の複合体であり、
前記第２金属の熱伝導率が前記第１金属の熱伝導率よりも高い、半導体装置。
【請求項５】
前記第１金属と前記第２金属は、前記主面上に形成されたスパッタ膜である、請求項４に記載の半導体装置。
【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。特に、基板に第１素子と第２素子が基板平面内で並んで形成されており、第２素子の電極の面積が第１素子の電極の面積よりも小さい半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
大電流が流れる半導体装置は発熱量が大きいため、効果的な放熱構造が求められる。例えば特許文献１に開示されている半導体装置は、半導体素子が形成されている基板の表面電極に接しているとともに、基板から離れるにしたがって相対的に断面積が大きくなる柱状電極を備えている。柱状電極は、基板から離れるに従って熱容量が大きくなるため、半導体素子の熱は表面電極から柱状電極へ効果的に拡散する。
【０００３】
特許文献２には、パワー素子をヒートシンクではさみ、パワー素子の両面から放熱する半導体装置が開示されている。特許文献３には、絶縁基板の一方の主面上にＩＧＢＴチップとダイオードチップが接合されているとともに、絶縁基板の他方の主面にハンダ層を介してベース板が接合されている半導体装置が開示されている。ベース板には、ダイオードチップ直下の位置に、熱抵抗を低減する熱抵抗低減部（例えば銅ブロック）が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１７９２２９号公報
【特許文献２】特開２００８−１０３６２３号公報
【特許文献３】特開２０１３−１９７４３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一つの基板に第１素子と第２素子が基板平面内で並んで形成されており、第２素子の電極（第２電極）の面積が第１素子の電極（第１電極）の面積よりも小さい場合がある。第１電極と第２電極には接合層を介して金属板が接続されている。電極と接合層の界面熱抵抗は、電極と接合層の間の熱伝達率の逆数を電極面積で除した値になる。そのため、第１電極と第２電極で熱伝達率が同じであっても電極面積が小さいほど界面熱抵抗が大きくなる。面積の小さい第２電極を備える第２素子の熱は、第１素子の熱よりも放熱され難い。そのため、電極面積が異なる第１素子と第２素子が基板平面内（主面の面内方向）で並んで形成されている場合、基板平面内で温度にばらつきが生じ得る。本明細書は、電極面積が異なる第１素子と第２素子が基板平面内で並んで形成されている半導体装置に関し、基板平面内の温度ばらつきを抑制する技術を提供する。なお、「基板平面内で並んで形成されている」とは、基板の主面の法線方向からみて、基板の異なる位置に第１素子と第２素子が設けられていることを意味し、２個の素子は必ずしも近接している必要はない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書が開示する半導体装置の一態様は、第１素子と第２素子が基板平面内で並んで形成されている基板と、基板の一方の主面に対向している金属板を備えている。基板の一方の主面上に、第１素子の電極（第１電極）と、第２素子の電極（第２電極）が露出している。以下では、説明を理解し易くするため、第１素子をトランジスタで代表し、第２素子をダイオードで代表する。第１電極をトランジスタ電極と称し、第２電極をダイオード電極と称する。一般に、ダイオードの方がトランジスタよりも構造が単純であるため、ダイオード電極の面積はトランジスタ電極の面積よりも小さい。なお、ダイオード電極はアノード電極あるいはカソード電極に相当し、トランジスタ電極はエミッタ電極あるいはコレクタ電極（ソース電極あるいはドレイン電極）に相当する。トランジスタの一例はＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。ＩＧＢＴはダイオードに比べて構造が複雑であり、電極面積が大きくなりがちである。
【０００７】
金属板は、接合層を介してトランジスタ電極とダイオード電極に接合されている。金属板には、その熱伝導率が接合層の熱伝導率よりも高い材料が用いられている。金属板の主面と対向する面に凹凸が設けられており、凸部がダイオード電極に対向しており、凹部がトランジスタ電極に対向している。上記の構造によると、ダイオード電極に接している接合層の厚みがトランジスタ電極に接している接合層の厚みよりも薄くなる。金属板よりも熱伝導率の低い接合層の厚みが薄くなるほど、電極から金属板へ熱がよく伝わる。すなわち、仮に、ダイオード電極とトランジスタ電極の面積が同じであれば、薄い接合層を介したダイオード電極から金属板への熱伝達率は、厚い接合層を介したトランジスタ電極から金属板への熱伝達率よりも高くなる。ダイオード電極は、トランジスタ電極と比較して、面積が小さいことによる界面熱抵抗の増大を、接合層の厚みを小さくすることで相殺する。その結果、ダイオードから金属板への放熱量と、トランジスタから金属板への放熱量の差が縮まり、基板平面内の温度ばらつきが抑制される。
【０００８】
金属板の凸部の厚みが凹部の厚みよりも大きくてもよい。その場合、ダイオード電極に対向する凸部の熱容量が、トランジスタ電極に対向する凹部の熱容量よりも大きくなる。ダイオードの熱がより一層金属板に吸収され易くなるため、基板平面内の温度ばらつきがより一層抑制される。
【０００９】
凹凸を有する金属板に替えて、第１金属と第２金属の異種金属の複合体の金属板を採用してもよい。第１金属はトランジスタ電極に対向しており、第２金属はダイオード電極に対向するように金属板内で配置されている。第２金属には、その熱伝導率が第１金属の熱伝導率よりも高い材料が採用される。そのような金属板を採用することによっても、単位面積当たりのダイオード電極から金属板への熱伝達率がトランジスタ電極から金属板への熱伝達率よりも優れるため、ダイオード電極の面積が小さくても基板平面内の温度ばらつきが抑制される。なお、金属板は、接合層を介してトランジスタ電極とダイオード電極に接合されていてもよく、接合層を介さずに直接にトランジスタ電極とダイオード電極に接合されていてもよい。後者の場合、第１金属と第２金属は、基板の主面上に形成されたスパッタ膜であってもよい。
【００１０】
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】
【００１１】
【図１】実施例の半導体装置の断面図である。
【図２】実施例の半導体装置の基板の平面図である。
【図３】図２のIII−III線に沿った断面図である（基板と金属板の断面図）。
【図４】第２実施例の半導体装置の断面図である（基板と金属板の断面図）。
【図５】第３実施例の半導体装置の断面図である（基板と金属板の断面図）。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１実施例）図１−図３を参照して第１実施例の半導体装置２を説明する。実施例の半導体装置２は、基板１０と金属板２０を２枚のヒートシンク３、４で挟み、それらを樹脂パッケージ６で封止したパワーカードである。図１に、半導体装置２の断面図を示す。図１では、図を見やすくするために、樹脂パッケージ６の断面は白抜きで示してあり、断面を示すハッチングは省略してある。
【００１３】
基板１０は、複数のトランジスタと複数のダイオードが形成された半導体基板である。トランジスタはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。図２に、基板１０の平面図を示す。図２は、基板１０を一方の主面（第１主面１１）の側からみた平面図である。基板１０の第１主面１１には、複数のトランジスタ１３のエミッタ電極１３ａと、複数のダイオード１４のアノード電極１４ａが交互に露出している。基板１０においてエミッタ電極１３ａの下方にトランジスタ１３が形成されており、アノード電極１４ａの下にダイオード１４が形成されている。別言すれば、基板１０において、トランジスタ１３とダイオード１４が基板平面内で交互に並んで形成されている。なお、基板平面内とは、基板１０の主面の面内方向を意味する。
【００１４】
基板１０の他方の主面（第２主面１２）には、トランジスタ１３のコレクタ電極とダイオード１４のカソード電極が形成されている。なお、コレクタ電極とカソード電極は、一つの共通電極１９（後に図３で図示）として形成されている。
【００１５】
第１主面１１には、複数の制御パッド９１ａ−９１ｃも形成されている。図示は省略しているが、制御パッド９１ａは、トランジスタ１３のゲートに接続されている。トランジスタ１３のゲートは、エミッタ電極１３ａの下で絶縁層に囲まれているとともに、制御パッド９１ａまで延びている。制御パッド９１ｂは、トランジスタ１３のセンスエミッタに接続されている。トランジスタ１３の内部には温度センサも形成されており、その温度センサは制御パッド９１ｃに接続されている。センスエミッタと制御パッド９１ｂを接続する導体層、および、温度センサと制御パッド９１ｃを接続する導体層も図示は省略してある。図１では、制御パッド９１ａ−９１ｃを符号９１で表している。
【００１６】
基板１０の第１主面１１には金属板２０が対向している。図２では、金属板２０を仮想線（二点鎖線）で示してある。金属板２０は、接合層５を介して複数のエミッタ電極１３ａと複数のアノード電極１４ａに接合されている。先に述べたように、第２主面１２の側では、トランジスタ１３のコレクタ電極とダイオード１４のカソード電極が、一つの共通電極１９（図３にて図示）として形成されている。従って、基板１０と金属板２０によって、トランジスタ１３とダイオード１４が逆並列に接続されることになる。基板１０と金属板２０は、いわゆる逆導通ＩＧＢＴを構成している。金属板２０は、導電性が高く、かつ、熱伝導率も高い銅で作られている。
【００１７】
金属板２０の基板１０とは反対側の面は、接合層９５を介してヒートシンク３と接続されている。ヒートシンク３も銅で作られている。接合層５、９５は、導電性を有するハンダであり、ヒートシンク３は、接合層５、９５、金属板２０を通じてエミッタ電極１３ａおよびアノード電極１４ａと導通している。ヒートシンク３の縁にパワー端子９３が接続されており、パワー端子９３は、樹脂パッケージ６の側面から外部へと延びている。ヒートシンク３は、基板１０の熱（トランジスタ１３とダイオード１４の熱）を外部へ放出するヒートシンクとしての役割に加えて、トランジスタ１３とダイオード１４の電極をパワー端子９３と導通させる導電経路の役割を担っている。
【００１８】
基板１０の第２主面１２、すなわち、トランジスタ１３のコレクタ電極とダイオード１４のカソード電極は、接合層９６を介してヒートシンク４と接合されている。図示は省略しているが、ヒートシンク４の縁にも別のパワー端子が接続されており、別のパワー端子も樹脂パッケージ６の外部へと延びている。ヒートシンク４も、本来のヒートシンクとしての役割に加えて、トランジスタ１３のコレクタ電極とダイオード１４のカソード電極を別のパワー端子と導通させる導電経路の役割を担う。
【００１９】
制御パッド９１はボンディングワイヤ９２を介して制御端子９４と接続されている。図１の紙面垂直方向で複数の制御パッド９１と複数の制御端子９４が並んでおり、それぞれの制御端子９４はそれぞれの制御パッド９１と接続されている。
【００２０】
図３に、図２のIII−III線に沿った断面図を示す。先に述べたように、基板１０の基板平面内に複数のトランジスタ１３と複数のダイオード１４が交互に並んでいる。図３では、トランジスタ１３とダイオード１４の詳しい構造は図示を省略しているが、第１主面１１の側に、トランジスタ１３のゲートやチャネルが形成されている。そして、第１主面１１の表面に、トランジスタ１３のエミッタ電極１３ａとダイオード１４のアノード電極１４ａが露出している。基板１０の第２主面１２の側には、共通電極１９が形成されている。共通電極１９は、先に述べたように、トランジスタ１３のコレクタ電極とダイオード１４のカソード電極の両方に相当する。
【００２１】
金属板２０の基板１０に対向する面（第１主面１１に対向する面）には凹凸が設けられている。凹凸の凸部２１は、アノード電極１４ａに対向しており、凹凸の凹部２２はエミッタ電極１３ａに対向している。アノード電極１４ａは図３の紙面垂直方向に長く延びており、凸部２１は、アノード電極１４ａに沿って、図の紙面垂直方向に長く延びている。エミッタ電極１３ａも図３の紙面垂直方向に長く延びており、凹部２２は、エミッタ電極１３ａに沿って、図の紙面垂直方向に長く延びている。
【００２２】
金属板２０の表面に凹凸を設けることで、トランジスタ１３から金属板２０への放熱性と、ダイオード１４から金属板２０への放熱性の差が小さくなり、その結果、基板１０の主面の面内方向での温度のばらつきが小さくなる。その理由を以下に述べる。
【００２３】
図２に示されているように、アノード電極１４ａの面積はエミッタ電極１３ａの面積よりも小さい。アノード電極１４ａとエミッタ電極１３ａはともに銅で作られている。接合層５（ハンダ層）と電極の間の界面熱抵抗は、接合層５（ハンダ層）と電極の間の熱伝達率の逆数を電極面積で除した値となる。それゆえ、面積の小さいアノード電極１４ａの界面熱抵抗はエミッタ電極１３ａの界面熱抵抗よりも大きくなる。すなわち、エミッタ電極１３ａと比較して、アノード電極１４ａから接合層５へは熱が放出され難いことになる。接合層５と金属板２０が一様な厚みを有している場合には、トランジスタ１３と比較してダイオード１４の熱が放出され難くなり、基板１０の面内方向で温度のばらつきが生じる。先に述べたように、トランジスタ１３の内部には温度センサが備えられているが、基板平面内の温度ばらつきは、温度センサの計測値と基板１０の局所的な温度との差を大きくする。すなわち、基板平面内の温度ばらつきは、温度センサの計測精度を低下させる一因となる。
【００２４】
金属板２０は、接合層５の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有している。それゆえ、金属板２０が電極に近いほど、熱は電極から金属板２０へよく伝わる。別言すれば、接合層５の厚みが薄いほど、熱は接合層５を通じて金属板２０へよく拡散する。電極と金属板２０の間の距離が短いほど（別言すれば、接合層５の厚みが薄いほど）、接合層５をはさんだ電極と金属板２０の間の熱抵抗が小さくなる。図３に示すように、金属板２０の表面に上記した凹凸を設ける結果、アノード電極１４ａと金属板２０の間の接合層５の厚みＤ１は、エミッタ電極１３ａと金属板２０の間の接合層の厚みＤ２よりも薄くなる。
【００２５】
仮に、アノード電極１４ａとエミッタ電極１３ａの面積が同じであれば、薄い接合層５を介したアノード電極１４ａから金属板２０への熱伝達率は、厚い接合層を介したエミッタ電極１３ａから金属板２０への熱伝達率よりも高くなる。アノード電極１４ａは、エミッタ電極１３ａと比較して、面積が小さいことによる界面熱抵抗の増大を、接合層５の厚みを薄くすることで相殺する。アノード電極１４ａと接合層５の間の界面熱抵抗はエミッタ電極１３ａと接合層５のそれよりも高いが、接合層５の厚みが薄いため、アノード電極１４ａと金属板２０の間の熱抵抗は、エミッタ電極１３ａと金属板２０の間の熱抵抗に近づく。その結果、ダイオード１４から金属板２０への放熱量と、トランジスタ１３から金属板２０への放熱量の差が縮まり、アノード電極１４ａの下のダイオード１４の温度とエミッタ電極１３ａの下のトランジスタ１３の温度差が小さくなる。すなわち、基板１０の面内方向の温度ばらつきが抑制される。
【００２６】
さらに、また、図３に示されているように、アノード電極１４ａに対向する部位における金属板２０の厚みＴ１は、エミッタ電極１３ａに対向する部位における金属板２０の厚みＴ２よりも厚くなっている。金属板２０の厚みが大きいほど、その部位の熱容量が大きくなる。熱容量が大きいと電極から熱を吸収し易くなる。このことも、基板の面内方向の温度ばらつきの抑制に貢献する。ただし、金属板２０の基板１０とは反対側の面にも凹凸を儲け、金属板の板厚を一定とした場合であっても、基板１０の側の凹凸だけでも基板面内方向の温度ばらつきを抑制する効果は期待できる。
【００２７】
（第２実施例）金属板２０の表面に凹凸を設けるかわりに、金属板を、熱伝導率の異なる２種類の金属の複合体で構成することによっても、基板平面内の温度ばらつきを抑制することができる。図４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、金属板の構造が第１実施例の半導体装置２と異なるのみである。図４は、図３の断面に対応する。
【００２８】
半導体装置２ａは、基板１０と金属板１２０を備えている。基板１０は、第１実施例の半導体装置２の基板１０と同じものである。すなわち、基板１０には、トランジスタ１３とダイオード１４が基板平面内で並んで形成されている。第１主面１１には、トランジスタ１３のエミッタ電極１３ａと、ダイオード１４のアノード電極１４ａが露出している。金属板１２０は、接合層５を介してエミッタ電極１３ａとアノード電極１４ａに接合している。金属板１２０は、第１金属１２１と第２金属１２２の異種金属による複合体である。第１金属１２１は、エミッタ電極１３ａと対向し、第２金属１２２はアノード電極１４ａに対向するように、金属板１２０の内部で配置されている。
【００２９】
第２金属１２２には、その熱伝導率が第１金属１２１の熱伝導率よりも高い材料が使われている。例えば、第２金属１２２は、銅（熱伝達率：３７２Ｗ／ｍＫ）であり、第１金属１２１は、アルミニウム（熱伝達率：２０６Ｗ／ｍＫ）である。なお、銅とアルミニウムは、いずれも、接合層５の熱伝導率よりも高い。接合層５は、第１実施例の場合と同様にハンダ層である。
【００３０】
第１実施例の場合と同様に、アノード電極１４ａと接合層５の間の界面熱抵抗は、エミッタ電極１３ａと接合層５の界面熱抵抗よりも大きい。しかし、接合層５と第２金属１２２の間の界面熱抵抗は、接合層５と第１金属１２１の間の界面熱抵抗よりも小さい。従って、接合層５を挟んだアノード電極１４ａと金属板１２０（第２金属１２２）の間の熱抵抗と、接合層５を挟んだエミッタ電極１３ａと金属板１２０（第１金属１２１）の間の熱抵抗との差は、均一な金属板を用いた場合と比較して小さくなる。その結果、基板１０の面内方向の温度ばらつきが抑制される。
【００３１】
（第３実施例）第２実施例の場合は、金属板１２０は接合層５を介して電極と接合されていた。金属板１２０に替えて、エミッタ電極１３ａとアノード電極１４ａの上にスパッタ加工で直接に金属層を形成してもよい。図５に、第３実施例の半導体装置２ｂの断面図を示す。半導体装置２ｂは、第１実施例の半導体装置２の金属板２０と接合層５に変えて、スパッタによる金属層２２０を有する点で第１実施例の半導体装置２と異なる。図５は、図３の断面に対応する。
【００３２】
半導体装置２ｂは、基板１０と金属層２２０を備えている。基板１０は、第１実施例の半導体装置２の基板１０と同じものである。すなわち、基板１０には、トランジスタ１３とダイオード１４が基板平面内で並んで形成されている。第１主面１１には、トランジスタ１３のエミッタ電極１３ａと、ダイオード１４のアノード電極１４ａが露出している。金属層２２０は、エミッタ電極１３ａとアノード電極１４ａの上にスパッタ加工で直接に形成された層である。金属層２２０は、第１金属２２１と第２金属１２２の異種金属で構成されている。第１金属２２１は、エミッタ電極１３ａと対向し、第２金属２２２はアノード電極１４ａに対向するように、金属層２２０の内部で配置されている。
【００３３】
第２金属１２２には、その熱伝導率が第１金属１２１の熱伝導率よりも高い材料が使われている。例えば、第２金属１２２は、銅（熱伝達率：３７２Ｗ／ｍＫ）であり、第１金属１２１は、ニッケル（純度９９．９％のニッケルの熱伝達率：９０Ｗ／ｍＫ）である。第２実施例の半導体装置２ａの場合と同じ理由により、第３実施例の半導体装置２ｂにおいても、基板１０の面内方向の温度ばらつきが抑制される。
【００３４】
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例のトランジスタ１３が第１素子の一例であり、ダイオード１４が第２素子の一例である。エミッタ電極１３ａが第１電極の一例であり、アノード電極１４ａが第２電極の一例である。実施例では、基板にはトランジスタとダイオードが形成されている。本明細書が開示する技術は、トランジスタとダイオードを備えた半導体基板に限られず、２個以上の素子が基板面内方向で並んで形成されている基板を備えた半導体装置に適用することができる。また、第１電極はエミッタ電極１３ａに限られない。第２電極はアノード電極１４ａに限られない。
【００３５】
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】
【００３６】
２、２ａ、２ｂ：半導体装置
３、４：ヒートシンク
５、９５、９６：接合層
６：樹脂パッケージ
１０：基板
１１：第１主面
１２：第２主面
１３：トランジスタ（第１素子）
１３ａ：エミッタ電極（第１電極）
１４：ダイオード（第２素子）
１４ａ：アノード電極（第２電極）
１９：共通電極
２０、１２０：金属板
２１：凸部
２２：凹部
１２１、２２１：第１金属
１２２、２２２：第２金属
２２０：金属層
【図１】
2020061428.tif 000003
【図２】
2020061428.tif 000004
【図３】
2020061428.tif 000005
【図４】
2020061428.tif 000006
【図５】
2020061428.tif 000007