(57)【要約】【課題】半導体素子と電極のような２種類の材質を面で接合した構造において、温度変化時に接合部に発生する熱応力を極力低減し、高温域でも高い信頼性を確保することが可能な半導体装置を提供することを課題とする。【解決手段】半導体素子と、この半導体素子に、接合材を介して接続され、穴が形成された第一の応力調節材と、この穴に圧入される突起が設けられた第二の応力調節材と、この第一の応力調節材とこの第二の応力調節材との間に充填された熱伝導材とを有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
前記半導体素子に、接合材を介して接続され、穴が形成された第一の応力調節材と、
前記穴に圧入される突起が設けられた第二の応力調節材と、
前記第一の応力調節材と前記第二の応力調節材との間に充填された熱伝導材とを有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
半導体素子と、
前記半導体素子に、接合材を介して接続されたリードフレーム電極と、
前記半導体素子に、接合材を介して接続され、穴が形成された第一の応力調節材と、
前記穴に圧入される突起が設けられた第二の応力調節材と、
前記第二の応力調節材に、接合材を介して接続された絶縁基板と、
前記絶縁基板に、接合材を介して接続された放熱ベースと、
前記第一の応力調節材と前記第二の応力調節材との間に充填された熱伝導材を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の半導体装置において、
前記第一の応力調節材の線膨張係数は、前記第二の応力調節材の線膨張係数よりも小さいことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体装置において、
前記第一の応力調節材の線膨張係数が１０ppm／℃以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項２に記載の半導体装置において、
前記第二の応力調節材と前記放熱ベースとが同じ材質であることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１又は２に記載の半導体装置において、
前記穴は、前記第一の応力調節材の中央部に形成され、
前記突起は、前記第二の応力調節材の中央部に設けられたことを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項１又は２に記載の半導体装置において、
前記穴と前記突起は、前記半導体素子と重なる領域に設けられたことを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項１又は２に記載の半導体装置において、
前記穴と前記突起がネジ構造であることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
請求項８に記載の半導体装置において、
前記穴は、前記第一の応力調節材を貫通していないことを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
半導体素子と、
前記半導体素子に、接合材を介して接続され、穴が形成された第一の応力調節材と、
前記穴に圧入される突起が設けられた第二の応力調節材と、
前記第一の応力調節材と前記第二の応力調節材との間に充填された熱伝導材を有し、
前記半導体素子を軸として、前記半導体素子の両側に、前記第一の応力調節材、前記熱伝導材及び前記第二の応力調節材が対称に配置されたことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置、特に高温で動作するパワー半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５は、従来のパワー半導体装置の例としてＩＧＢＴモジュールの要部断面を示した図である。図５において、１はＩＧＢＴ，ＦＷＤなどの半導体素子、５は接合材、７は銅箔により両面に回路を形成した絶縁基板、８は放熱ベース、９は電極である。なお、モジュールの外囲ケースなどは省略して描かれてない。図５に示すように、半導体装置（特にパワー半導体装置）においては、半導体素子を含むいくつかの部品を面で接合する構造をとるのが一般的である。また、半導体素子は線膨張係数が非常に小さく、電極やベースは半導体素子の数倍の線膨張係数を有することが多い。そのため、半導体装置に温度変化を与えた場合、接合材には、半導体素子と電極などの線膨張係数差に起因する熱応力が発生する。この熱応力が繰り返し負荷されると、接合部が破壊に至る恐れがある。接合部の信頼性を確保するための構造として、特許文献１には、半導体素子と部品の中間の線膨張係数を有する部品を挿入し熱応力を分散する構造が開示されている。また、特許文献２には、接合部を樹脂封止することで熱応力を低減する構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−５６８７３号公報
【特許文献２】特開２００６−１７９７３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、パワー半導体分野では、ＳｉＣ素子やＧａＮ素子の開発を背景に、従来以上の高温域での動作に対する要求が高まってきている。パワー半導体装置の使用温度が高くなると、接合部に発生する熱応力も大きくなるために、特許文献１，２に開示された構造では、接合部の信頼性を十分に確保できないのが現状である。
【０００５】
本発明の目的は上記課題に鑑みて成されたものであり、半導体素子と電極のような２種類の材質を面で接合した構造において、温度変化時に接合部に発生する熱応力を極力低減し、高温域でも高い信頼性を確保することが可能な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】
本発明は、上記課題を解決するために、半導体素子と、前記半導体素子に、接合材を介して接続され、穴が形成された第一の応力調節材と、前記穴に圧入される突起が設けられた第二の応力調節材と、前記第一の応力調節材と前記第二の応力調節材との間に充填された熱伝導材とを有する。また、半導体素子と、前記半導体素子に、接合材を介して接続されたリードフレームと、前記半導体素子に、接合材を介して接続され、穴が形成された第一の応力調節材と、前記穴に圧入される突起が設けられた第二の応力調節材と、前記第二の応力調節材に、接合材を介して接続された絶縁基板と、前記絶縁基板に、接合材を介して接続された放熱ベースと、前記第一の応力調節材と前記第二の応力調節材との間に充填された熱伝導材を有する。さらに、前記第一の応力調節材の線膨張係数は、前記第二の応力調節材の線膨張係数よりも小さい。さらに、前記第一の応力調節材の線膨張係数が１０ppm／℃以下である。さらに、前記第二の応力調節材と前記放熱ベースとが同じ材質である。さらに、前記穴は、前記第一の応力調節材の中央部に形成され、前記突起は、前記第二の応力調節材の中央部に設けられる。さらに、前記穴と前記突起は、前記半導体素子と重なる領域に設けられる。さらに、前記穴と前記突起がネジ構造である。さらに、前記穴は、前記第一の応力調節材を貫通していない。また、半導体素子と、前記半導体素子に、接合材を介して接続され、穴が形成された第一の応力調節材と、前記穴に圧入される突起が設けられた第二の応力調節材と、前記第一の応力調節材と前記第二の応力調節材との間に充填された熱伝導材を有し、前記半導体素子を軸として、前記半導体素子の両側に、前記第一の応力調節材，前記熱伝導材及び前記第二の応力調節材が対称に配置される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、半導体素子と電極のような２種類の材質を面で接合した構造において、温度変化時に接合部に発生する熱応力を極力低減し、高温域でも高い信頼性を確保することが可能な半導体装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例１の半導体装置の斜視図である。
【図２】実施例１の半導体装置の平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線における断面図である。
【図４】実施例１の半導体装置の分解斜視図である。
【図５】従来技術による半導体装置の要部断面図である。
【図６】実施例２の半導体装置の要部断面図および平面図である。
【図７】実施例３の半導体装置の要部断面図および平面図である。
【図８】実施例４の半導体装置の要部断面図および平面図である。
【図９】実施例５の半導体装置の要部断面図である。
【図１０】実施例６の半導体装置の要部断面図および平面図である。
【図１１】実施例７の半導体装置の要部断面図である。
【図１２】実施例８の半導体装置の要部断面図である。
【図１３】実施例９の半導体装置の要部断面図および平面図である。
【図１４】実施例１０の半導体装置の要部断面図および平面図である。
【図１５】実施例１１の半導体装置の要部断面図および平面図である。
【図１６】実施例１２の半導体装置の要部断面図である。
【図１７】実施例１３の半導体装置の要部断面図および平面図である。
【図１８】実施例１４の半導体装置の要部断面図である。
【図１９】実施例１５の半導体装置の要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、実施例１の半導体装置の斜視図である。図１に示す半導体装置は、半導体素子１，第一の応力調節材２，第二の応力調節材３，電極４，接合材５，熱伝導材６からなる。なお、モジュールの外囲ケースなどは省略して描かれてない。図２は、実施例１の半導体装置の平面図である。図３は、図２のＡ−Ａ線における断面図である。図４は、実施例１の半導体装置の分解斜視図である。半導体素子１と第一の応力調節材２，第二の応力調節材３と電極４は、それぞれ接合材５で接続され、第一の応力調節材２と第二の応力調節材３は、突起３ａを第一の応力調節材２の穴に圧入することで機械的に接続され、その間には熱伝導材６が充填されている。
【００１０】
ここで、半導体素子１にはＳｉを用いているが、ＳｉＣやＧａＮを用いてもよい。第一の応力調節材２にはＭｏを用いているが、線膨張係数が１０ppm／℃以下の材質であればよく、Ｗ，Ｆｅ−Ｎｉ合金，前述した金属（Ｍｏ，Ｗ，Ｆｅ−Ｎｉ合金）とＣｕとの複合材（合金，積層材，混合焼結材），ダイヤモンドを用いてもよい。第二の応力調節材３と電極４は同じ材質であることが好ましく、実施例１ではいずれも銅を用いている。さらに、第一の応力調節材２の線膨張係数よりも第二の応力調節材３の線膨張係数の方が大きいことが好ましい。接合材５にはＡｇの焼結材を使用しているが、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだ，Ｓｎ−Ｃｕ系はんだ，Ｂｉ−Ａｇ系はんだ，Ｚｎ−Ａｌ系はんだ，ＡｇやＣｕのロウ材，焼結材，ペースト材を用いてもよい。熱伝導材６は、サーマルコンパウンドを用いているが、はんだ材やＡｇペースト材を用いてもよい。
【００１１】
図６は、実施例２の半導体装置の要部断面図および平面図である。図６に示す半導体装置は、リードフレーム電極９，半導体素子１，第一の応力調節材２，第二の応力調節材３，絶縁材両面に銅箔で回路を形成した絶縁基板７，放熱ベース８を積層し、第一の応力調節材２と第二の応力調節材３の間には熱伝導材６を充填し、それ以外の部材間を接合材５で接続した構造となっている。なお、モジュールの外囲ケースなどは省略して描かれてない。図１との相違は、絶縁基板７やリードフレーム電極９が構造に含まれている点であり、ＩＧＢＴモジュール等への適用可能であることを示す一例である。このとき、絶縁基板７の半導体素子側に形成されている回路７ａと第二の応力調節材３が一体となっていてもよい。また、図６において、第一の応力調節材２の穴と、第二の応力調節材３の突起は４つとなっているが、４つである必要はない。穴と突起の形状も円柱である必要はない。
【００１２】
図７は、実施例３の半導体装置の要部断面図および平面図である。図６との相違は、第一の応力調節材２と第二の応力調節材３を接続する突起３ａが接合の外周付近ではなく接合の中央部（第二の応力調節材３の中央部）に、１つだけ設けられている点である。また、これに伴い、第一の応力調節材２の穴は、第一の応力調節材２の中央部に形成されている。これにより、第二の応力調節材３の熱膨張により第一の応力調節材２が引っ張られ、第一の応力調節材２が本来の熱膨張分以上に変形することを防ぐことができる。
【００１３】
図８は、実施例４の半導体装置の要部断面図および平面図である。図７との相違は、第二の応力調節材３の突起３ｂがネジとなっており、第一の応力調節材２と第二の応力調節材３がネジ構造により締結されて、接続されている点である。これにより、第一の応力調節材２と第二の応力調節材３の組付けを簡便にすることができる。
【００１４】
図９は、実施例５の半導体装置の要部断面図および平面図である。図６との相違は、第二の応力調節材３の突起３ａが半導体素子１と重なる領域に配置されている点である。これにより、半導体素子１で発生する熱を第二の応力調節材３側にある放熱ベース８まで効率よく逃がすことができる。また、図９において、第一の応力調節材２の穴と、第二の応力調節材３の突起は４つとなっているが、４つである必要はない。穴と突起の形状も円柱である必要はない。
【００１５】
図１０は、実施例６の半導体装置の要部断面図である。図９との相違は、接合中央部に１つだけ配置されている点である。これにより、半導体素子１で発生する熱を第二の応力調節材３側にある放熱ベース８まで効率よく逃がすことができ、かつ、接合材端部に発生する熱応力を低減することができる。
【００１６】
図１１は、実施例７の半導体装置の要部断面図および平面図である。図１０との相違は、第二の応力調節材３の突起３ａがネジとなっており、かつ、第一の応力調節材２を貫通していない点である。これにより、半導体素子１と第一の応力調節材２の間の接合材５の中央付近での劣化を防ぐことができる。
【００１７】
図１２は、実施例８の半導体装置の要部断面図である。図１２に示す半導体装置は、放熱ベース８，絶縁材両面に銅箔で回路を形成した絶縁基板７，第二の応力調節材３，第一の応力調節材２，半導体素子１，第一の応力調節材２，第二の応力調節材３，絶縁材両面に銅箔で回路を形成した絶縁基板７，放熱ベース８を積層し、第一の応力調節材２と第二の応力調節材３の間には熱伝導材６を充填し、それ以外の部材間を接合材５で接続した構造となっている。なお、モジュールの外囲ケースなどは省略して描かれてない。図６との相違は、半導体素子１を軸としてその両側に対称となるように、一対の応力調節材２，３，一対の絶縁基板７，一対の放熱ベース８が配置されている点である。これにより放熱面積が２倍になるので、放熱性が向上する。また、図１２において、第一の応力調節材２の穴と、第二の応力調節材３の突起は２つであるが、２つである必要はない。穴と突起の形状も円柱である必要はない。
【００１８】
図１３は、実施例９の半導体装置の要部断面図である。図１３に示す半導体装置は、リードフレーム電極９，半導体素子１，絶縁材両面に銅箔で回路を形成した絶縁基板７，第一の応力調節材２，第二の応力調節材３を積層し、第一の応力調節材２と第二の応力調節材３の間には熱伝導材６を充填し、それ以外の部材間を接合材５で接続した構造となっている。なお、モジュールの外囲ケースなどは省略して描かれてない。図１との相違は、絶縁基板７やリードフレーム電極９が構造に含まれており、かつ放熱ベース８が削減されている点であり、図６と異なる構造でもＩＧＢＴモジュール等への適用可能であることを示す一例である。このとき、第二の応力調節材３が放熱ベースの役割を果たせるよう、突起３ａが配置された面と反対側に放熱用のフィンを設けてもよい。また、図１３において、第一の応力調節材２の穴と、第二の応力調節材３の突起は４つとなっているが、４つである必要はない。穴と突起の形状も円柱である必要はない。
【００１９】
図１４は、実施例１０の半導体装置の要部断面図および平面図である。図１３との相違は、第一の応力調節材２と第二の応力調節材３を接続する突起３ａが接合の外周付近ではなく接合中央部に１つだけ配置されている点である。これにより、第二の応力調節材３の熱膨張により第一の応力調節材２が引っ張られ、第一の応力調節材２が本来の熱膨張分以上に変形することを防ぐことができる。
【００２０】
図１５は、実施例１１の半導体装置の要部断面図および平面図である。図１４との相違は、第二の応力調節材３の突起３ａがネジとなっており、第一の応力調節材２と第二の応力調節材３がネジ締結により接続されている点である。これにより、第一の応力調節材２と第二の応力調節材３の組付けを簡便にすることができる。
【００２１】
図１６は、実施例１２の半導体装置の要部断面図および平面図である。図１３との相違は、第二の応力調節材３の突起３ａが半導体素子１に重なるように配置されている点である。これにより、半導体素子１で発生する熱を第二の応力調節材３側にある放熱ベース８まで効率よく逃がすことができる。また、図１６において、第一の応力調節材２の穴と、第二の応力調節材３の突起は４つとなっているが、４つである必要はない。穴と突起の形状も円柱である必要はない。
【００２２】
図１７は、実施例１３の半導体装置の要部断面図および平面図である。図１５との相違は、第二の応力調節材３の突起３ａが半導体素子１に重なり、かつ、接合中央部に１つだけ配置されている点である。これにより、半導体素子１で発生する熱を第二の応力調節材３側にある放熱ベース８まで効率よく逃がすことができ、かつ、接合材端部に発生する熱応力を低減することができる。
【００２３】
図１８は、実施例１４の半導体装置の要部断面図である。図１７との相違は、第二の応力調節材３の突起３ｃがネジとなっており、かつ、第一の応力調節材２を貫通していない点である。これにより、半導体素子１と第一の応力調節材２の間の接合材５の中央付近での劣化を防ぐことができる。
【００２４】
図１９は、実施例１５の半導体装置の要部断面図および平面図である。図１９に示す半導体装置は、第二の応力調節材３，第一の応力調節材２，絶縁材両面に銅箔で回路を形成した絶縁基板７，半導体素子１，絶縁材両面に銅箔で回路を形成した絶縁基板７，第一の応力調節材２，第二の応力調節材３を積層し、第一の応力調節材２と第二の応力調節材３の間には熱伝導材６を充填し、それ以外の部材間を接合材５で接続した構造となっている。なお、モジュールの外囲ケースなどは省略して描かれてない。図１３との相違は、両側に絶縁基板７，応力調節材２，３が配置されている点である。これにより放熱面積が２倍になるので、放熱性が向上する。また、図１９において、第一の応力調節材２の穴と、第二の応力調節材３の突起は２つとなっているが、２つである必要はない。穴と突起の形状も円柱である必要はない。
【００２５】
以上記載した実施例によれば、半導体装置の温度が上昇して接続部周辺の各部材が熱膨張しても、半導体素子と半導体素子に近い線膨張係数を有する板との間の膨張量差は小さいので、その間の接合材に発生する熱応力は小さくなる。さらに、電極と電極に近い線膨張係数を有する板との間の膨張量差も小さいので、その代打の接合材に発生する熱応力は同様に小さくなる。また、挿入した２つの板の間は機械的に接続されている上に、穴の内側にある突起が熱膨張することで両者の接触面圧は大きくなるので、両者は熱的にも機械的にもより強く接続されることとなり、繰り返しの熱変化による各接続部の劣化は少なくなる。
【符号の説明】
【００２６】
１  半導体素子
２  第一の応力調節材
３  第二の応力調節材
３ａ  接続用突起
４  電極
５  接合材
６  熱伝導材
７  両面に回路が形成された絶縁基板
７ａ，７ｂ  絶縁基板に形成された回路
８  放熱ベース
９  リードフレーム電極
【図１】
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【図２】
2011049340.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】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2011049340.tif 000018
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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