(57)【要約】【課題】半導体装置の耐久性を向上し得る技術を提供する。【解決手段】半導体装置は、半導体素子と、半導体素子に第１接合材を介して接合された第１導体板と、第１導体板に半導体素子を介して対向するとともに半導体素子に第２接合材を介して接合された第２導体板とを備える、第２導体板の第１導体板に対向する表面は、第２接合材に接している第１部分と、第１部分の外側に位置する第２部分とを備える。第１部分は、第２部分に対して半導体素子に向けて突出している。第１部分のうち、その外周縁に沿って延びる特定領域は、第１部分の突出高さが外周縁に向かうに従って減少するテーパ状に形成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置であって、
半導体素子と、
前記半導体素子に第１接合材を介して接合された第１導体板と、
前記第１導体板に前記半導体素子を介して対向するとともに、前記半導体素子に第２接合材を介して接合された第２導体板と、を備え、
前記第２導体板の前記第１導体板に対向する表面は、前記第２接合材に接している第１部分と、前記第１部分の外側に位置する第２部分と、を備え、
前記第１部分は、前記第２部分に対して前記半導体素子に向けて突出しており、
前記第１部分のうち、その外周縁に沿って延びる特定領域は、前記第１部分の突出高さが前記外周縁に向かうに従って減少するテーパ状に形成されている、
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、半導体素子に第１接合材を介して接合された第１導体板と、第１導体板に半導体素子を介して対向するとともに、半導体素子に第２接合材を介して接合された第２導体板とを備える。第２導体板の第１導体板に対向する表面は、第１接合材に接している第１部分と、第１部分の外側に位置する第２部分と、を備える。第１部分は、第２部分に対して、半導体素子に向けて突出している。
【０００３】
上記の特許文献１の半導体装置では、第２導体板に、第１部分が突出して設けられており、その第１部分上に半導体素子が接合されている。このような構成によると、一対の導体板の間に必要とされる間隔に応じて、第１突出部の突出高さを設計することができる。そのため、半導体素子と第１導体板（あるいは第２導体板）との間にスペーサを設ける必要がなく、そのスペーサを接合するための接合材も省略することができる。これにより、特許文献１の半導体装置は、スペーサと導体板との間に配される接合材による放熱性の低下、及び、熱による当該接合材の歪みの発生、という不都合の抑制を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１４６９５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術では、構造上、第１接合材及び第２接合材によって製造時の積層公差を吸収することになる。その結果、半導体素子、第１及び第２導体板の積層公差によっては、完成した半導体装置の第１及び第２接合材の上下方向の厚さが小さくなる場合がある。
【０００６】
一方で、この種の半導体装置では、半導体素子の通電と遮断とが繰り返されると、それに同期して半導体装置の温度も上下に変動し、半導体装置は熱膨張と熱収縮とを交互に繰り返す。通常、半導体素子の熱膨張率と第１及び第２導体板の熱膨張率とは異なるために、第１及び第２接合材の厚さが小さくなると、第１及び第２接合材の厚さが大きい場合に比べて、第１及び第２接合材に加わる応力の影響が大きくなる。その結果、第１及び第２接合材の歪みも大きくなり、第１及び第２接合材の耐久性が低くなるおそれがある。仮に、応力の影響を低減させるために第１及び第２接合材の厚さを一律に大きくする構成を採用するとしても、厚みが増すことに起因して第１及び第２接合材の放熱性能が低下し、結果的に半導体装置の耐久性が低下するおそれがある。
【０００７】
本明細書では、半導体装置の耐久性を向上し得る技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
半導体素子と導体板とを接合する接合材では、その外周部分において、比較的に大きな歪みが生じ得る。そのことから、接合材に生じる歪みを低減するためには、第２接合材の外周部分において、第２接合材の厚さを大きくすることが好ましい。その一方で、接合材の厚みを大きくすると、半導体素子から導体板への伝熱距離が大きくなり、特に半導体素子の中央部分において、半導体素子の温度が高温となりやすい。そのことから、半導体素子の温度上昇を抑制するためには、第２接合材の中央部分において、第２接合材の厚さを小さくすることが好ましい。以上のことから、半導体素子と導体板とを接合する接合材では、その外周部分において厚さを大きくし、その中央部分において厚さを小さくするとよく、これによって、接合材に生じる歪みを抑制しつつ、半導体素子の温度上昇も効果的に抑制することができる。
【０００９】
この知見に基づいて提供される本明細書の半導体装置は、半導体素子と、前記半導体素子に第１接合材を介して接合された第１導体板と、前記第１導体板に前記半導体素子を介して対向するとともに、前記半導体素子に第２接合材を介して接合された第２導体板と、を備える。前記第２導体板の前記第１導体板に対向する表面は、前記第２接合材に接している第１部分と、前記第１部分の外側に位置する第２部分と、を備える。前記第１部分のうち、その外周縁に沿って延びる特定領域は、前記第１部分の突出高さが前記外周縁に向かうに従って減少するテーパ状に形成されている。
【００１０】
上記の半導体装置では、第２導体板に第１部分が突出して設けられており、その第１部分上に、第２接合材を介して半導体素子が接合されている。第２接合材に接する第１部分のうち、その外周縁に沿って延びる特定領域はテーパ状に形成されており、そのテーパ状の特定領域では、第１部分の突出高さが外周縁に向かうに従って減少している。このような構成によると、半導体素子と第２導体板との間に位置する第２接合材は、その外周部分において厚さが大きくなり、その中央部分において厚さが小さくなる。これにより、第２接合材に生じる歪みが抑制されるとともに、半導体素子の温度上昇についても効果的に抑制することができる。従って、半導体装置の耐久性が有意に向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例の半導体装置１０の平面図を示す。
【図２】図１中のＩＩ−ＩＩ線における断面図であり、半導体装置１０の断面構造を示す。
【図３】上面電極１４と上面側導体板２０とを接合するはんだ２８に生じる歪み量の解析結果を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（実施例）
図１及び図２に示すように、本実施例の半導体装置１０は、半導体素子１２、下面側導体板１８、上面側導体板２０、及び、モールド樹脂４０を備える。
【００１３】
半導体素子１２は、上面電極１４と下面電極１６とを備える。上面電極１４は半導体素子１２の上面（図２の上側の面）に位置しており、下面電極１６は半導体素子１２の下面（図２の下側の面）に位置している。半導体素子１２の具体的な種類や構造は特に限定されない。半導体素子１２は、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、又はＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのパワー半導体素子であってよい。また半導体素子１２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することができる。上面電極１４及び下面電極１６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。
【００１４】
下面側導体板１８は、概して板形状の部材である。本実施例では、下面側導体板１８は、銅で構成される。変形例では、下面側導体板１８は、銅以外の金属など、任意の導電材料によって構成されてもよい。下面側導体板１８は、はんだ２６を介して、半導体素子１２の下面電極１６と接合されている。これにより、下面側導体板１８は、半導体素子１２と電気的に接続される。さらに、下面側導体板１８は、はんだ２６を介して熱的にも接続される。即ち、半導体素子１２の動作に伴って発生される熱が、はんだ２６を介して下面側導体板１８に放熱される。ここで、下面側導体板１８は、「第１導体板」の一例であり、はんだ２６は、「第１接合材」の一例である。変形例では、下面側導体板１８と半導体素子１２との間は、はんだ２６に限られず、他の接合材によって接合されてもよい。
【００１５】
上面側導体板２０は、概して板形状の部材である。上面側導体板２０は、半導体素子１２を介して、下面側導体板１８に対向している。上面側導体板２０も、下面側導体板１８と同様に銅で構成される。変形例では、上面側導体板２０も、銅以外の金属など、任意の導電材料によって構成されてもよい。上面側導体板２０は、はんだ２８を介して、半導体素子１２の上面電極１４と接合されている。これにより、上面側導体板２０は、半導体素子１２と電気的に接続される。さらに、上面側導体板２０は、はんだ２８を介して熱的にも接続される。即ち、半導体素子１２の動作に伴って発生される熱が、はんだ２８を介して上面側導体板２０に放熱される。ここで、上面側導体板２０は、「第２導体板」の一例であり、はんだ２８は、「第２接合材」の一例である。変形例では、上面側導体板２０と半導体素子１２との間は、はんだ２８に限られず、他の接合材によって接合されてもよい。
【００１６】
上面側導体板２０の下面２２、即ち、下面側導体板１８に対向する表面は、第１部分３０と、その外側に位置する第２部分３２とを含む。第１部分３０は、第２部分３２に対して、半導体素子１２に向けて突出している。半導体素子１２は第１部分３０上に接合されており、半導体素子１２と上面側導体板２０との間のはんだ２８は、第１部分３０に接している。本実施例では、下面側導体板１８のうち、はんだ２６を介して下面電極１６に接合されている領域の面積は、上面側導体板２０のうち、はんだ２８を介して上面電極１４に接合されている領域である第１部分３０の面積よりも大きい。
【００１７】
上面側導体板２０の第１部分３０のうち、第１部分３０の外周縁に沿って枠状に延びる特定領域３０ａは、テーパ形状に形成されている。このテーパ形状の特定領域３０ａでは、第１部分３０の外周縁に向かうに従って、第１部分３０の突出高さが徐々に減少している。一例ではあるが、本実施例における特定領域３０ａは、その傾斜角が４５度未満の角度で設計されている。より詳しく言うと、特定領域３０ａが上記の通りテーパ状に形成されることにより、第１部分３０の中央領域３０ｂと特定領域３０ａとの間には、鈍角のエッジＥ１が形成されるとともに、特定領域３０ａの外周端には、鋭角のエッジＥ２が形成される。特定領域３０ａは、その傾斜幅Ｄ１（即ち、上下方向に直交する左右方向（図２中の左右方向）におけるエッジＥ１−Ｅ２間の距離）が、その傾斜高さＤ２（即ち、上下方向におけるエッジＥ１−Ｅ２間の距離）よりも大きくなるように傾斜している。傾斜幅Ｄ１は、例えば傾斜高さＤ２の１０倍になるように形成される。
【００１８】
第１部分３０が上記のような形状に形成されているため、第１部分３０と上面電極１４との間を接合するはんだ２８も、第１部分３０の形状に適合した形状に形成される。即ち、はんだ２８のうち、特定領域３０ａに接する部分である外周部分２８ａの厚さは、中央領域３０ｂに接する部分である中央部分２８ｂの厚さよりも大きい。
【００１９】
半導体装置１０を製造する場合において、上面電極１４と第１部分３０とをはんだ２８によって接合する際には、図２の上下方向を反転した状態で接合を行う。即ち、下から順に第１部分３０、はんだ２８、上面電極１４の順に積層された状態で接合を行う。その際、第１部分３０と上面電極１４との間に配された溶融状態のはんだ２８は、鈍角に形成されたエッジＥ１において、中央領域３０ｂから特定領域３０ａ方向に向かって流れる。特定領域３０ａに沿って流れた溶融状態のはんだ２８は、その表面張力によって、鋭角に形成されたエッジＥ２部分において外側に流れ落ちることなくエッジＥ２の近傍に留まる。その状態ではんだ２８を凝固させることにより、図２に示す形状のはんだ２８が形成される。なお、接合の際、一部のはんだが、エッジＥ２から外側に流れ落ちる場合がある。その場合、流れ落ちたはんだは、第１部分３０と第２部分３２との間に形成された溝２３に収容されて凝固する。その結果、図２に示すように、溝２３内にはんだ２９が収容される。
【００２０】
モールド樹脂４０は、半導体素子１２、下面側導体板１８、はんだ２６、上面側導体板２０、及び、はんだ２８を封止している。モールド樹脂４０は、絶縁性を有する材料で構成されている。特に限定されないが、モールド樹脂４０を構成する材料は、エポキシ樹脂といった熱硬化性の樹脂材料であってもよい。下面側導体板１８の下面、及び、上面側導体板２０の上面は、モールド樹脂４０の外部に露出している。上記の通り、半導体素子１２と下面側導体板１８とははんだ２６を介して熱的に接続されるとともに、半導体素子１２と上面側導体板２０もはんだ２８を介して熱的に接続される。即ち、下面側導体板１８及び上面側導体板２０は、半導体素子１２で発生した熱を外部に放出する放熱板としても機能する。即ち、本実施例の半導体装置１０は、モールド樹脂４０の両面に放熱板がそれぞれ露出する両面冷却構造を有する。
【００２１】
本実施例の半導体装置１０を製造する際には、完成品である半導体装置１０の厚さを特定厚さに形成するために、半導体素子１２、下面側導体板１８、及び、上面側導体板２０の積層公差が、はんだ２６、２８によって吸収されることになる。そのため、本実施例の半導体装置１０を量産する場合、はんだ２６、２８の厚さに個体差が生じる。はんだ２６、２８の厚さは、所定の最小値から所定の最大値の間のいずれかの値を有する。
【００２２】
続いて、上記の構造を有する本実施例の半導体装置１０の有利な作用効果を説明する。ここで、本実施例の半導体装置１０の作用効果を明確に説明するために、比較例の半導体装置の構造について説明しておく。比較例の半導体装置も、基本的には本実施例の半導体装置１０と同様の構造を有する。ただし、比較例の半導体装置においては、上面側導体板の第１部分の下面の外周縁近傍の領域に傾斜（テーパ）が形成されておらず、当該下面が面一に形成されている点が異なる。即ち、比較例の半導体装置においては、上面電極と上面側導体板の第１部分の下面とを接合するはんだは、部位にかかわらず略均一の厚さを有する。
【００２３】
図３は、比較例の半導体装置において上面電極と上面側導体板とを接合するはんだに生じる歪み量（図中（ａ）、（ｂ）参照）と、本実施例の半導体装置１０において上面電極１４と上面側導体板２０とを接合するはんだ２８に生じる歪み量（図中（Ａ）、（Ｂ）参照）と、をＣＡＥ（Computer aided Engineering）解析によって求めた結果を示す。グラフ（ａ）は、比較例の半導体装置において、所定の最大値の厚さに形成された場合のはんだの歪み量の解析結果を示す。グラフ（ｂ）は、比較例の半導体装置において、所定の最小値の厚さに形成された場合のはんだの歪み量の解析結果を示す。グラフ（Ａ）は、本実施例の半導体装置１０において、所定の最大値の厚さに形成された場合のはんだ２８の歪み量の解析結果を示す。グラフ（Ｂ）は、比較例の半導体装置１０において、所定の最小値の厚さに形成された場合のはんだ２８の歪み量の解析結果を示す。各グラフの値が大きいほど歪み量が大きいことを意味する。
【００２４】
ここで言う「はんだに生じる歪み」について説明しておく。この種の半導体装置（即ち実施例の半導体装置１０及び比較例の半導体装置）では、半導体装置の通電と遮断とが繰り返されると、それに同期して半導体装置の温度も上下に変動し、半導体装置は熱膨張と熱収縮とを交互に繰り返す。この際、半導体素子（半導体素子１２等）の熱膨張率と、上面側導体板（上面側導体板２０等）の熱膨張率とは異なるために、上面電極と上面側導体板とを接合するはんだには熱膨張と熱収縮に伴う応力が加わる。繰り返し応力が加わることにより、上面電極と上面側導体板とを接合するはんだには、歪みが生じることが知られている。一般的に、はんだの厚さが小さい場合、はんだの厚さが大きい場合に比べて歪みが大きくなることも知られている。
【００２５】
図３の(ａ)及び（Ａ）が示すように、はんだが最小値の厚さに形成される場合、本実施例のはんだ２８に生じる歪みの量は、比較例のはんだに生じる歪みの量よりも少ない。同様に、図３の(ｂ)及び（Ｂ）が示すように、はんだが最大値の厚さに形成される場合にも、本実施例のはんだ２８に生じる歪みの量は、比較例のはんだに生じる歪みの量よりも少ない。
【００２６】
本発明者の解析により、この種の半導体装置においては、はんだのうちの外周縁近傍の部分には、中央部分に比べて、より大きい応力が加わることが判明している。即ち、外周縁近傍の部分は、中央部分に比べて歪みが大きくなる傾向があることが判明している。この点、本実施例の半導体装置１０では、上面側導体板２０の第１部分２１のうち、外周縁近傍の特定領域３０ａは、外周縁に向かうに従って突出高さが減少するテーパ状に形成されている。そのため、はんだ２８も、特定領域３０ａに接する部分である外周部分２８ａの厚さが、中央領域３０ｂに接する部分である中央部分２８ｂの厚さに比べて大きくなるように形成される。即ち、本実施例では、はんだ２８のうち、比較的大きい応力が加わる部分である外周部分２８ａ（即ち、特定領域３０ａに接する部分）の厚さが、比較的小さい応力が加わる部分である中央部分２８ｂの厚さに比べて大きくなる。そのため、外周部分２８ａに加わる比較的大きい応力の影響を低減することができ、はんだ２８全体に発生する歪みを低減することができる（図３参照）。
【００２７】
また、本発明者の解析により、この種の半導体装置においては、半導体素子の熱が上面側導体板に伝導する（即ち放熱される）際の熱の伝導距離（即ち、伝熱距離）の差に起因して、はんだの中央部分の放熱性能が、外周縁近傍の部分の放熱性能に比べて低くなることも判明している。この点についても、本実施例では、はんだ２８のうちの中央部分２８ｂの厚さが小さくなるため、耐歪み性を向上させつつも、中央部分２８ｂにおける放熱性能の低下を抑制することができ、はんだ２８全体の放熱正常の低下を抑制することもできる。従って、本実施例の半導体装置１０によると、比較例の半導体装置に比べ、耐久性の低下を抑制することができる。
【００２８】
以上、本明細書で開示する技術の具体例を説明したが、これらは例示にすぎず、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。
【００２９】
（変形例１）上記の実施例の上面側導体板２０と同様の構成を、必要に応じて下面側導体板１８に採用してもよい。
【００３０】
（変形例２）上記の実施例では、半導体装置１０は、単一の半導体素子１２を備える。これに限られず、本明細書に開示の技術を、複数個の半導体素子を備える半導体装置に採用してもよい。
【００３１】
また、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するものであり、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】
【００３２】
１０：半導体装置
１２：半導体素子
１４：上面電極
１６：下面電極
１８：下面側導体板
２０：上面側導体板
２２：上面側導体板の下面
２３：溝
２６、２８、２９：はんだ
２８ａ：はんだ２８の外周部分
２８ｂ：はんだ２８の中央部分
３０：第１部分
３２：第２部分
３０ａ：第１部分の特定領域
３０ｂ：第１部分の中央領域
４０：モールド樹脂
Ｄ１：傾斜幅
Ｄ２：傾斜高さ
Ｅ１、Ｅ２：エッジ
【図１】
2020098892.tif 000003
【図２】
2020098892.tif 000004
【図３】
2020098892.tif 000005