(57)【要約】【課題】半導体素子と電極の間の熱伝達性能を向上させること。【解決手段】半導体装置は、回路基板に半導体素子２１が接合されている。回路基板は、絶縁基板の上面に、第１の金属板１３、第２の金属板及び第３の金属板が設けられている。半導体素子２１のエミッタ電極２２の下面２２ａと、第１の金属板１３の上面１３ａとは、導電性接着材によって接合されている。エミッタ電極２２の下面２２ａ及び第１の金属板１３の上面１３ａには、複数の凸部４１が形成されている。この凸部４１は、エミッタ電極２２の下面２２ａ及び第１の金属板１３の上面１３ａに付着した良熱伝導性微粒子である。導電性フィラー５１は、隣り合う凸部４１の間に入り込むことなく、複数の凸部４１（隣り合う凸部４１）の外周縁と接触している。【選択図】図２
2014093413.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、電極とを、導電性フィラーと樹脂を含有する導電性接着材で接合した半導体装置であって、
前記半導体素子及び前記電極の少なくもと一方の接合界面には、良熱伝導性微粒子からなる複数の凸部が設けられることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記良熱伝導性微粒子は、銀微粒子又は銅微粒子であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
隣り合う前記凸部の間隔は、前記導電性フィラーの平均粒径以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記半導体素子及び前記電極の少なくとも一方には、前記接合界面から突出する方向に延びる金属製の柱状電極が設けられることを特徴とする請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記柱状電極は、前記半導体素子及び前記電極の少なくとも一方に直接接合されていることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記柱状電極は、前記半導体素子に設けられることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子と、電極とを導電性接着材で接合した半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、半導体素子と金属板の接合には、半田付けが用いられている。このような半田を用いた接合構造は、特許文献１に開示されている。また、半導体素子と金属板を、導電性接着材を用いて接合する接合構造も知られている。導電性接着材は、半田に比べて低温で接合できるため、低温環境下で半導体素子と電極を接合したい場合に適している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１８６６２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
導電性接着材は、固着を担う樹脂と導電を担う金属（導電性フィラー）から構成される。そして、導電性接着材による接合は、接合物間において導電性フィラーが接触し合うことで熱伝達経路を形成し、接触箇所が多いほど熱伝達を良好に行うことができる。しかし、導電性接着材に含有される導電性フィラーの接触状態を人的又は機械的に制御することは難しい。
【０００５】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体素子と電極の間の熱伝達性能を向上し得る半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決する半導体装置は、半導体素子と、電極とを、導電性フィラーと樹脂を含有する導電性接着材で接合した半導体装置であって、前記半導体素子及び前記電極の少なくもと一方の接合界面には、良熱伝導性微粒子からなる複数の凸部が設けられることを要旨とする。
【０００７】
これによれば、導電性フィラーは、接合界面に設けられた複数の凸部と接触しやすい。導電性フィラーが複数の凸部と接触しやすいため、接合界面が平坦である場合の接合界面とフィラーの接触箇所に比べて、凸部と導電性フィラーの接触箇所が多い。また、凸部を良熱伝導性微粒子とすることで、熱が伝達しにくい接合界面の熱伝達を促している。したがって、電極と半導体素子の間の熱伝達性能を向上させることができる。
【０００８】
上記半導体装置について、前記良熱伝導性微粒子は、銀微粒子又は銅微粒子であることが好ましい。
これによれば、半導体素子と電極の間の熱伝達性能を好適に向上させることができる。
【０００９】
上記半導体装置について、隣り合う前記凸部の間隔は、前記導電性フィラーの平均粒径以下であることが好ましい。
これによれば、隣り合う凸部の間に導電性フィラーが入り込みにくい。つまり、導電性フィラーは、凸部の縁部に接触して止まることになる。その結果、導電性フィラーと半導体素子及び電極の少なくとも一方との接触箇所を増加させることができる。したがって、半導体素子と電極の間の熱伝達性能を更に向上させることができる。
【００１０】
上記半導体装置について、前記半導体素子及び前記電極の少なくとも一方には、前記接合界面から突出する方向に延びる金属製の柱状電極が設けられることが好ましい。
これによれば、柱状電極は、導電性接着材に比べて熱伝導率が高いため、半導体素子と電極との間の熱伝達性能を更に向上させることができる。
【００１１】
上記半導体装置について、前記柱状電極は、前記半導体素子及び前記電極の少なくとも一方に直接接合されていることが好ましい。
これによれば、柱状電極は、半導体素子又は電極の少なくとも一方に直接接合されるため、半導体素子と電極の間の熱伝達性能が更に向上される。
【００１２】
上記半導体装置について、前記柱状電極は、前記半導体素子に設けられることが好ましい。 
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、半導体素子と電極の間の熱伝達性能を向上し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態における半導体装置を示す概略図。
【図２】（ａ）は実施形態の接着層を概略的に示す断面図、（ｂ）は比較例の接着層を概略的に示す断面図。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、実施形態の凸部を形成する方法を示す概略図。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は、別例のバンプを概略的に示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、半導体装置の一実施形態について説明する。なお、図１〜図４について図示の都合上、一部の寸法を誇張して分かりやすくするために、それぞれの部分の幅、長さ、厚さ等の寸法の比は実際の比と異なっている。
【００１６】
図１に示すように、半導体装置１０は、回路基板１１に半導体素子２１が接合されている。本実施形態の半導体装置１０は、例えば、車両用インバータに適用される。
回路基板１１は、絶縁基板１２の上面１２ａに、第１の金属板１３、第２の金属板１４及び第３の金属板１５が設けられている。絶縁基板１２としては、例えば、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化ケイ素などからなるセラミック基板が用いられる。第１の金属板１３、第２の金属板１４及び第３の金属板１５は、例えば、アルミニウムや、銅などの熱伝導率の高い金属からなる。
【００１７】
第１の金属板１３、第２の金属板１４及び第３の金属板１５は、半導体素子２１が接合される電極として機能する。また、第１の金属板１３及び第２の金属板１４は、半導体素子２１が発する熱を放熱する放熱部材としても機能する。
【００１８】
回路基板１１には、半導体素子２１が接合されている。半導体素子２１としては、例えば、絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ（insulated gate bipolar transistor：ＩＧＢＴ）、パワーＭＯＳＦＥＴ（metal oxide semiconductor field effect transistor）等のパワー半導体素子が用いられる。
【００１９】
半導体素子２１の下面には、エミッタ電極２２及びゲート電極２３が設けられている。また、半導体素子２１の上面は、全面がコレクタ電極２４となっている。
エミッタ電極２２の下面２２ａには、柱状電極としてのバンプ２５が設けられている。同様に、ゲート電極２３の下面２３ａには、柱状電極としてのバンプ２６が設けられている。バンプ２５，２６は、エミッタ電極２２及びゲート電極２３から突出している。バンプ２５，２６は、円柱状をなしている。バンプ２５，２６は、電解メッキ法などの製造方法によって、エミッタ電極２２及びゲート電極２３に直接形成されている。バンプ２５，２６は、例えば、銅などの金属材料からなる。
【００２０】
半導体素子２１のエミッタ電極２２の下面２２ａと、第１の金属板１３の上面１３ａとは、導電性接着材によって接合されている。これにより、半導体素子２１のエミッタ電極２２と第１の金属板１３との間には、第１の接着層３１が形成されている。そして、エミッタ電極２２の下面２２ａ及び第１の金属板１３の上面１３ａが接合界面となる。バンプ２５の下面（バンプ２５において、エミッタ電極２２と対向する面とは反対側の面）は、第１の金属板１３の上面１３ａに接合されている。また、バンプ２５は、周囲が第１の接着層３１（導電性接着材）によって囲まれている。
【００２１】
ゲート電極２３の下面２３ａと、第２の金属板１４の上面１４ａとは、導電性接着材によって接合されている。これにより、半導体素子２１のゲート電極２３と第２の金属板１４との間には、第２の接着層３２が形成されている。そして、ゲート電極２３の下面２３ａ及び第２の金属板１４の上面１４ａが接合界面となる。バンプ２６の下面（バンプ２６において、ゲート電極２３と対向する面と反対側の面）は、第２の金属板１４の上面１４ａに接合されている。
【００２２】
また、バンプ２６は、周囲が第２の接着層３２（導電性接着材）によって囲まれている。コレクタ電極２４には、導電性のワイヤ３３が接合されている。ワイヤ３３は、第３の金属板１５に接合され、これにより、コレクタ電極２４と第３の金属板１５とは、電気的に接続されている。
【００２３】
図２（ａ）に示すように、導電性接着材は、導電性フィラー５１（金属フィラー）を樹脂に混合分散させたものである。導電性フィラー５１は、銀、銅、アルミニウムなどの熱伝導率の高い金属粉である。樹脂としては、エポキシ樹脂などの熱硬化性の樹脂が用いられる。なお、実際には、各導電性フィラー５１の形状及び大きさは不均一であり、その配列も不規則であるが、説明の都合上、図面中ではそれぞれの導電性フィラー５１の形状及び大きさを均一に示し、また、規則的に配列させて示している。
【００２４】
エミッタ電極２２の下面２２ａ及び第１の金属板１３の上面１３ａには、複数の凸部４１が形成されている。この凸部４１は、エミッタ電極２２の下面２２ａ及び第１の金属板１３の上面１３ａに付着した良熱伝導性微粒子（本実施形態では、銀微粒子）である。隣り合う凸部４１の間隔は、導電性フィラー５１の平均粒径以下となっている。なお、実際には、各凸部４１の形状及び大きさは不均一であり、隣り合う凸部４１の間隔も不規則であるが、説明の都合上、図面中ではそれぞれの凸部４１の形状及び大きさを均一に示し、また、隣り合う凸部４１の間隔を規則的に示している。次に、凸部４１の形成方法について説明する。
【００２５】
図３（ａ）に示すように、まず、第１の金属板１３を銀微粒子分散液４２に所定の時間浸漬する。この銀微粒子分散液４２は、液体に銀微粒子粉末を分散させたものであり、分散材によって、銀微粒子が凝集することを防止している。
【００２６】
図３（ｂ）に示すように、第１の金属板１３を銀微粒子分散液４２から取り出すと、第１の金属板１３には、銀微粒子４１ａが付着している。この段階では、銀微粒子４１ａの表面には、分散材４１ｂが存在している。なお、図３（ｂ）においては、第１の金属板１３の上面１３ａにのみ銀微粒子４１ａを図示しているが、実際には、第１の金属板１３の表面全体に銀微粒子４１ａが付着している。そして、第１の金属板１３を加熱することで、銀微粒子４１ａに付着した分散材４１ｂを揮発させる。
【００２７】
図３（ｃ）に示すように、分散材４１ｂを揮発させることで、凸部４１（銀微粒子）が形成された第１の金属板１３を得ることができる。なお、上記した方法と同じ方法で、第２の金属板１４及び半導体素子２１にも同様に銀微粒子を付着させて凸部４１を形成することができる。この凸部４１は、第１の金属板１３の表面全体に満遍なく形成されている。このため、隣り合う凸部４１の間隔は、不規則ではあるものの、導電性フィラー５１の平均粒径以下になりにくい。
【００２８】
図２（ａ）に示すように、導電性フィラー５１は、隣り合う凸部４１の間に入り込むことなく、複数の凸部４１（隣り合う凸部４１）の外周縁と接触している。このため、図２（ｂ）に示すように、第１の金属板１３の上面１３ａが平坦面である場合の第１の金属板１３の上面１３ａと導電性フィラー５１の接触箇所に比べて、凸部４１と導電性フィラー５１の接触箇所が多い。同様に、半導体素子２１のエミッタ電極２２が平坦面である場合のエミッタ電極２２の下面２２ａと導電性フィラー５１の接触箇所に比べて、凸部４１と導電性フィラー５１の接触箇所が多い。また、導電性フィラー５１は、バンプ２５の外周面に接触している。
【００２９】
なお、上記の説明において、半導体素子２１のエミッタ電極２２と、第１の金属板１３を接合する第１の接着層３１について説明したが、半導体素子２１のゲート電極２３と、第２の金属板１４を接合する第２の接着層３２についても、同様な方法で接合されている。すなわち、半導体素子２１のゲート電極２３の下面２３ａ及び第２の金属板１４の上面１４ａには、良熱伝導性微粒子（銀微粒子）からなる凸部４１が形成され、第２の接着層３２では、この凸部４１と導電性フィラー５１が複数箇所で接触している。
【００３０】
次に、半導体装置１０の作用について説明する。
回路基板１１と半導体素子２１を接合させる場合、第１の金属板１３の上面１３ａ及び第２の金属板１４の上面１４ａに、導電性接着材を塗布し、半導体素子２１を搭載してから熱を加えることで、導電性接着材を熱硬化させる。これにより、回路基板１１と半導体素子２１は、接着層３１，３２を介して接合される。なお、導電性接着材は、インクジェットやディスペンサによる吐出供給やスクリーン印刷などの方法によって塗布することができる。
【００３１】
第１の金属板１３及び第２の金属板１４に導電性接着材を塗布すると、導電性接着材の樹脂は、凸部４１を覆う。このため、接合面積が増え、密着性が向上している。
隣り合う凸部４１の間隔は、導電性フィラー５１の平均粒径よりも小さい。このため、導電性接着材の導電性フィラー５１は、隣り合う凸部４１の間に入り込みにくく、複数の凸部４１と接触しやすい。つまり、第１の金属板１３の上面１３ａ及び第２の金属板１４の上面１４ａと、導電性フィラー５１の接触箇所が増加した状態となる。また、半導体素子２１のエミッタ電極２２の下面２２ａ及びゲート電極２３の下面２３ａと、導電性フィラー５１の接触箇所も増加した状態となる。一方、導電性接着材に含有される無数の導電性フィラー５１同士は、もともと接触しやすい状態であり、その状態が維持される。
【００３２】
したがって、上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）半導体素子２１のエミッタ電極２２の下面２２ａ、ゲート電極２３の下面２３ａ、第１の金属板１３の上面１３ａ及び第２の金属板１４の上面１４ａのそれぞれには、銀微粒子からなる凸部４１が形成されている。この凸部４１が形成されることで、半導体素子２１、第１の金属板１３及び第２の金属板１４と、導電性接着材中の導電性フィラー５１との接触面積が増加し、半導体素子２１と第１の金属板１３及び第２の金属板１４との間の熱伝達性能が向上される。また、凸部４１は、銀微粒子であるため、熱が伝達しにくい接合界面での熱伝達が促され、半導体素子２１と第１の金属板１３及び第２の金属板１４との間の熱伝達性能が更に向上される。
【００３３】
（２）良熱伝導性微粒子として、銀微粒子を用いている。銀微粒子は、熱伝導率が高く、半導体素子２１と第１の金属板１３及び第２の金属板１４の間の熱伝達性能を更に向上させることができる。
【００３４】
（３）隣り合う凸部４１の間隔が、導電性フィラー５１の平均粒径以下であるため導電性フィラー５１が隣り合う凸部４１の間に入り込みにくく、複数の凸部４１に接しやすい。このため、凸部４１と導電性フィラー５１の接触面積が増加しやすく、半導体素子２１と第１の金属板１３及び第２の金属板１４の間の熱伝達性能を更に向上させることができる。
【００３５】
（４）半導体素子２１のエミッタ電極２２及びゲート電極２３には、バンプ２５，２６が設けられている。そして、このバンプ２５，２６は、第１の金属板１３及び第２の金属板１４に接合されている。バンプ２５，２６は、銅などの金属材料からなり、熱伝導率が高い。導電性接着材に加えて、バンプ２５，２６によって半導体素子２１と第１の金属板１３及び第２の金属板１４とを接合することで、導電性接着材のみで半導体素子２１と第１の金属板１３及び第２の金属板１４とを接合する場合に比べて、熱伝達性能を更に向上させることができる。
【００３６】
（５）バンプ２５，２６は、半導体素子２１のエミッタ電極２２及びゲート電極２３に直接接合されている。このため、半導体素子２１と第１の金属板１３及び第２の金属板１４との間の熱伝達性能を更に向上させることができる。
【００３７】
（６）バンプ２５，２６の外周面には、導電性フィラー５１が接している。このため、接着層３１，３２に伝導した熱の一部は、導電性フィラー５１を介してバンプ２５，２６に伝導する。前記したように、バンプ２５，２６の熱伝導率は、導電性接着材よりも高いため、半導体素子２１と第１の金属板１３及び第２の金属板１４との間の熱伝達性能を更に向上させることができる。
【００３８】
（７）バンプ２５，２６は、半導体素子２１と回路基板１１の間隔を維持するためのスペーサとしても機能している。このため、半導体素子２１を回路基板１１に接合するときに、半導体素子２１と回路基板１１の間隔がバンプ２５，２６の厚みよりも狭くなることがなく、導電性接着材を圧迫することがない。このため、導電性接着材の膜厚が制御できる。
【００３９】
（８）ところで、本実施形態にように、半導体素子２１にバンプ２５，２６が形成され、そのバンプ２５，２６を介して半導体素子２１が回路基板１１の電極に直接電気的に接合されるフリップチップ実装では、一般に、第１の金属板１３及び第２の金属板１４において、バンプ２５，２６が形成されていない部分は、電極と接合されない。このため、エミッタ電極２２の下面２２ａ及びゲート電極２３の下面２３ａの全面を第１の金属板１３及び第２の金属板１４に接合する場合に比べて、接合面積が小さくなる。本実施形態のように、エミッタ電極２２及びゲート電極２３において、バンプ２５，２６が形成されていない部分については、導電性接着材（接着層３１，３２）によって接合を行うことで、半導体素子２１と第１の金属板１３及び第２の金属板１４との間の熱伝達性能の向上が図られるとともに、電導性も向上される。すなわち、抵抗値が低下し、通電時に生じるジュール熱が低減される。
【００４０】
（９）半導体素子２１と電極の接合界面には、凸部４１が形成されているため、半導体素子２１と電極を導電性接着材で接合したときに、接合界面には、確実に金属（良熱伝導性微粒子）が接触している。凸部４１が形成されていない場合に、導電性接着材で半導体素子２１と電極を接合すると、導電性フィラー５１が接合界面に接触しない、あるいは、接触面積が少ないことで、半導体素子２１と電極間の熱伝達性能が低下するおそれがある。本実施形態のように、接合界面に凸部４１を形成して、接合界面に金属を接触させることで、接着層３１，３２中に含まれる金属粒子（凸部４１及び導電性フィラー５１）同士が接しやすい。このため、熱が伝達しにくい接合界面での熱伝達性能を向上させることができる。
【００４１】
なお、実施形態は、以下のように変更してもよい。
○  実施形態において、バンプ２５，２６（柱状電極）は、円柱状以外の、例えば、四角柱状や、五角柱状などの多角柱状であってもよい。また、図４（ａ）に示すように、バンプ２５，２６の径は、均一でなくてもよい。また、図４（ｂ）に示すように、バンプ２５，２６は、円錐状でもよい。
【００４２】
○  実施形態において、良熱伝導性微粒子として、銅、アルミニウム、金などの金属微粒子を用いてもよい。
○  実施形態において、第１の金属板１３とエミッタ電極２２、第２の金属板１４とゲート電極２３のどちらか一方のみが、導電性接着材で接合されていればよい。この場合、第１の金属板１３とエミッタ電極２２、第２の金属板１４とゲート電極２３のうち、導電性接着材で接着されない方は、半田などによって接合されていてもよい。
【００４３】
○  実施形態において、絶縁基板１２の下面（第１の金属板１３、第２の金属板１４及び第３の金属板１５が設けられた面と反対の面）には、ヒートシンクが接合されてもよい。この場合、半導体素子２１が発した熱をヒートシンクに熱伝達させ、ヒートシンクによって放熱が行われる。
【００４４】
○  実施形態において、バンプは、コレクタ電極２４に設けられていてもよい。この場合、コレクタ電極２４と接合される第３の金属板１５は、コレクタ電極２４の上面と対向する位置に設けられる。
【００４５】
○  実施形態において、バンプ２５，２６を設けず、導電性接着材のみで半導体素子２１のエミッタ電極２２と第１の金属板１３、半導体素子２１のゲート電極２３と第２の金属板１４のそれぞれを接合してもよい。この場合、半導体素子２１と第１の金属板１３及び第２の金属板１４の間の熱伝達性能は低下するが、バンプ２５，２６を設ける必要がなく、製造工程の削減や、部品点数の削減、更に、製造コストの削減が計られる。
【００４６】
○  実施形態において、バンプ２５，２６（柱状電極）は、半導体素子２１のエミッタ電極２２及びゲート電極２３に加えて、第１の金属板１３及び第２の金属板１４に設けられていてもよい。また、第１の金属板１３及び第２の金属板１４にのみ設けられていてもよい。
【符号の説明】
【００４７】
１０…半導体装置、１３…第１の金属板、１３ａ…上面、１４…第２の金属板、１４ａ…上面、２１…半導体素子、２５，２６…バンプ、４１…凸部、５１…導電性フィラー。
【図１】
2014093413.tif 000003
【図２】
2014093413.tif 000004
【図３】
2014093413.tif 000005
【図４】
2014093413.tif 000006