(57)【要約】【課題】はんだ層の外周部に微細粒子を選択的に含有させる技術を提供する。【解決手段】半導体装置は、導電板と、半導体素子と、前記導電板と前記半導体素子を接合するはんだ層と、を備えている。前記はんだ層は、高融点はんだ部分と、外周部の少なくとも一部に配置されており、前記高融点はんだ部分よりも融点が低い低融点はんだ部分と、を有している。前記低融点はんだ部分は、微細粒子を含有する、半導体装置。【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、
導電板と、
半導体素子と、
前記導電板と前記半導体素子を接合するはんだ層と、を備えており、
前記はんだ層は、
高融点はんだ部分と、
外周部の少なくとも一部に配置されており、前記高融点はんだ部分よりも融点が低い低融点はんだ部分と、を有しており、
前記低融点はんだ部分は、微細粒子を含有する、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、微細粒子を含有するはんだ層が開示されている。このような微細粒子は、はんだ層を用いて接合される被接合部材間の距離を固定し、一方の被接合部材が他方の被接合部材に対して傾くことを抑制する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−２１６１６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
製造コストを抑えるためには、はんだ層に含有される微細粒子の量を少なくするのが望ましい。一方で、被接合部材の傾きを抑制する必要がある。これらを両立させるためには、はんだ層の外周部に微細粒子を選択的に含有させるのが望ましい。本明細書は、はんだ層の外周部に微細粒子を選択的に含有させる技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示する半導体装置の一実施形態は、導電板と、半導体素子と、導電板と半導体素子を接合するはんだ層と、を備えることができる。はんだ層は、高融点はんだ部分と、外周部の少なくとも一部に配置されており、高融点はんだ部分よりも融点が低い低融点はんだ部分と、を有することができる。低融点はんだ部分は、微細粒子を含有する。この半導体装置では、導電板と半導体素子をはんだ層を介して接合するときに、高融点はんだ部分が凝固するときの押し出し効果によって、低融点はんだ部分に含有する微細粒子がはんだ層に外周部に位置決めされる。このように、この半導体装置では、はんだ層の外周部に微細粒子が選択的に含有されている。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】半導体装置の断面図を模式的に示す。
【図２】ドレインリードフレームと半導体素子を接合するはんだ層の平面図を模式的に示す。
【図３】はんだ層の高融点はんだ部分と低融点はんだ部分のレイアウトの変形例を示す。
【図４Ａ】ドレインリードフレームと半導体素子の接合過程を表す要部断面図を模式的に示す。
【図４Ｂ】ドレインリードフレームと半導体素子の接合過程を表す要部断面図を模式的に示す。
【図４Ｃ】ドレインリードフレームと半導体素子の接合過程を表す要部断面図を模式的に示す。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
図面を参照して、半導体装置１０を説明する。本実施例の半導体装置１０は、パワー半導体装置の一種であり、例えば電気自動車、ハイブリッド車、燃料電池車といった電動自動車において、コンバータやインバータといった電力変換回路に用いることができる。但し、半導体装置１０の用途は特に限定されない。半導体装置１０は、様々な装置や回路に広く採用することができる。
【０００８】
図１に示すように、パワーカードとも称される半導体装置１０は、半導体素子１２、金属ブロック１８、ドレイン端子４２に接続されるドレインリードフレーム２２、ソース端子４４に接続されるソースリードフレーム２４、ゲート端子４６及びモールド樹脂２６を備えている。半導体素子１２は、モールド樹脂２６内に封止されている。モールド樹脂２６は、絶縁性を有する材料で形成されている。特に限定されないが、モールド樹脂２６の材料には、エポキシ樹脂といった熱硬化性の樹脂材料を採用することができる。
【０００９】
半導体素子１２は、ソース電極１４及びドレイン電極１６を備えており、概して板形状の部材である。ドレイン電極１６は、半導体素子１２の下面１２ｂに設けられており、はんだ層３２を介してドレインリードフレーム２２に接合されている。ソース電極１４は、半導体素子１２の上面１２ａに設けられており、はんだ層３４を介して金属ブロック１８に接合されている。ゲート端子４６は、半導体素子１２の上面１２ａに設けられているゲート電極にリード線を介して接続されている。半導体素子１２は、上下の両面１２ａ、１２ｂに電極１４、１６を有する縦型の半導体素子である。この例の半導体素子１２は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）である。この例に代えて、半導体素子１２は、他のパワー半導体素子、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）又はダイオードであってもよい。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されることができる。なお、半導体素子１２の具体的な構成は特に限定されず、本実施例の半導体装置１０には、各種の半導体素子を採用することができる。
【００１０】
金属ブロック１８は、例えば銅又はその他の金属といった導電性を有する材料を用いて構成されており、概して板形状あるいはブロック形状の部材である。金属ブロック１８は、半導体素子１２とソースリードフレーム２４の間に配置されており、モールド樹脂２６内に位置している。金属ブロック１８は、はんだ層３６を介してソースリードフレーム２４に接合されている。前述したように、金属ブロック１８は、はんだ層３４を介して半導体素子１２のソース電極１４に接合されている。これにより、半導体素子１２のソース電極１４は、金属ブロック１８を介してソースリードフレーム２４に電気的に接続されている。
【００１１】
ドレインリードフレーム２２は、例えば銅又はその他の金属といった導電性を有する材料を用いて構成されており、概して板形状の部材である。前述したように、ドレインリードフレーム２２は、はんだ層３２を介して半導体素子１２のドレイン電極１６に接合されている。これにより、ドレインリードフレーム２２は、半導体素子１２のドレイン電極１６と電気的に接続されている。また、ドレインリードフレーム２２の下面は、モールド樹脂２６の外部に露出している。ドレインリードフレーム２２は、半導体素子１２と熱的にも接続されており、半導体素子１２で発生した熱を外部に放出する。
【００１２】
同様に、ソースリードフレーム２４も、例えば銅又はその他の金属といった導電性を有する材料を用いて構成されており、概して板形状の部材である。前述したように、ソースリードフレーム２４は、はんだ層３６を介して金属ブロック１８に接合されている。これにより、ソースリードフレーム２４は、金属ブロック１８を介して半導体素子１２のソース電極１４に電気的に接続されている。また、ソースリードフレーム２４の上面は、モールド樹脂２６の外部に露出している。ソースリードフレーム２４は、金属ブロック１８を介して半導体素子１２と熱的にも接続されており、半導体素子１２で発生した熱を外部に放出する。このように、半導体装置１０は、モールド樹脂２６の両面にリードフレーム２２，２４がそれぞれ露出する両面冷却構造を有する。
【００１３】
図１に示されるように、はんだ層３２，３４，３６の各々は、外周部に微細粒子３２ａ，３４ａ，３６ａを含有している。これら微細粒子３２ａ，３４ａ，３６ａは、はんだ層３２，３４，３６の溶融温度以上で形状が維持できる材料で形成されており、例えばニッケル、銅、アルミニウム、樹脂又はガラスで形成されている。
【００１４】
はんだ層３２に含まれる微細粒子３２ａは、ドレインリードフレーム２２と半導体素子１２の双方に接しており、ドレインリードフレーム２２と半導体素子１２の間の距離を固定することができる。これにより、ドレインリードフレーム２２と半導体素子１２は、平行な位置関係を維持することができる。このように、はんだ層３２の厚みが均一化されていることから、パワーサイクル試験において、熱応力集中によるクラックがはんだ層３２に生じることが抑えられる。
【００１５】
はんだ層３４に含まれる微細粒子３４ａは、半導体素子１２と金属ブロック１８の双方に接しており、半導体素子１２と金属ブロック１８の間の距離を固定することができる。これにより、半導体素子１２と金属ブロック１８は、平行な位置関係を維持することができる。このように、はんだ層３４の厚みが均一化されており、パワーサイクル試験において、熱応力集中によるクラックがはんだ層３４に生じることが抑えられる。
【００１６】
はんだ層３６に含まれる微細粒子３６ａは、金属ブロック１８とソースリードフレーム２４の双方に接しており、金属ブロック１８とソースリードフレーム２４の間の距離を固定することができる。これにより、金属ブロック１８とソースリードフレーム２４は、平行な位置関係を維持することができる。このように、はんだ層３６の厚みが均一化されており、パワーサイクル試験において、熱応力集中によるクラックがはんだ層３６に生じることが抑えられる。
【００１７】
図２に、ドレインリードフレーム２２と半導体素子１２を接合するはんだ層３２の平面図を示す。図２に示されるように、はんだ層３２は、平面視したときに、概して矩形状の形態を有しており、高融点はんだ部分３２Ａ及び低融点はんだ部分３２Ｂを有している。図示明瞭化のために、低融点はんだ部分３２Ｂにのみハッチングを付す。高融点はんだ部分３２Ａの融点は、低融点はんだ部分３２Ｂの融点よりも高い。高融点はんだ部分３２Ａと低融点はんだ部分３２Ｂの材料は、例えば鉛フリーはんだであり、その組成を適宜調整することで融点が調整されている。なお、他のはんだ層３４，３６も実質的に同様の構成を有する。
【００１８】
高融点はんだ部分３２Ａは、はんだ層３２の中央部を含むように配置されている。低融点はんだ部分３２Ｂは、高融点はんだ部分３２Ａを一巡するように高融点はんだ部分３２Ａに接しており、はんだ層３２の外周部の全周に亘って設けられている。低融点はんだ部分３２Ｂは、複数の微細粒子３２ａを含有している。平面視したときに、高融点はんだ部分３２Ａは、半導体素子１２の素子領域（ゲート構造が形成されており、電流が流れる領域）を含むように配置されている。平面視したときに、低融点はんだ部分３２Ｂは、半導体素子１２の素子領域の外側に配置されており、半導体素子１２の終端領域（耐圧構造が形成されている領域）の一部と重複するように配置されている。
【００１９】
なお、低融点はんだ部分３２Ｂは、必ずしもはんだ層３２の外周部の全周に亘って設けられている必要はない。例えば、図３（ａ）に示されるように、低融点はんだ部分３２Ｂは、はんだ層３２の外周辺のうちの対向する一対の外周辺に設けられていてもよい。あるいは、図３（ｂ）に示されるように、低融点はんだ部分３２Ｂは、はんだ層３２の４つの角部に設けられていてもよい。図３（ａ）及び図３（ｂ）のいずれの場合も、はんだ層３２の４つの角部に低融点はんだ部分３２Ｂが設けられ、その低融点はんだ部分３２Ｂ内に微細粒子３２ａが含有されている。このため、ドレインリードフレーム２２と半導体素子１２は、平行な位置関係を良好に維持することができる。
【００２０】
次に、図４Ａ〜図４Ｃを参照し、ドレインリードフレーム２２と半導体素子１２がはんだ層３２で接合されるときの過程を説明する。なお、同様の事象は、他のはんだ層３４，３６でも生じる。
【００２１】
まず、図４Ａに示すように、はんだ層３２は、はんだ泊として用意され、ドレインリードフレーム２２と半導体素子１２の間に介挿される。はんだ層３２の低融点はんだ部分３２Ｂには、予め微細粒子３２ａが含有されている。なお、はんだ層３２は、はんだ板をプレス加工で打ち抜いて形成されてもよく、ロールはんだをカットして形成されてもよい。次に、ドレインリードフレーム２２と半導体素子１２からの圧縮荷重がはんだ層３２に加えられた状態で、リフロー処理が行われる。微細粒子３２ａがはんだ層３２内に存在しているので、はんだ層３２の厚みはその微細粒子３２ａによって固定され、ドレインリードフレーム２２と半導体素子１２は、平行な位置関係を維持することができる。
【００２２】
図４Ｂ及び図４Ｃに、リフロー処理後の冷却過程を示す。まず、図４Ｂに示されるように、高融点はんだ部分３２Ａが凝固する。このとき、高融点はんだ部分３２Ａの体積が増加するので、低融点はんだ部分３２Ｂに含まれる微細粒子３２ａは、外周部へと押し出される。このように、微細粒子３２ａは、低融点はんだ部分３２Ｂ内に留まることができ、特に、低融点はんだ部分３２Ｂの外周側に移動することができる。次に、図４Ｃに示されるように、低融点はんだ部分３２Ｂが凝固する。低融点はんだ部分３２Ｂは、半導体素子１２の端部から外に濡れ広がる。低融点はんだ部分３２Ｂの端面と微細粒子３２ａの接合面に作用する表面張力により、微細粒子３２ａは、低融点はんだ部分３２Ｂを超えて外に飛び出すことが抑えられる。このように、微細粒子３２ａは、はんだ層３２の外周部に位置決めされる。
【００２３】
半導体装置１０はさらに、以下の特徴を有する。
（１）リフロー処理時に、はんだ層３２と半導体素子１２の接合面に半導体素子１２からの水分及び／又はガス等に起因して２０μｍ以下の微小ボイド（マイクロボイド）が発生することが知られている。半導体装置１０では、はんだ層３２の中央部に高融点はんだ部分３２Ａが配置され、はんだ層３２の外周部に低融点はんだ部分３２Ｂが配置されている。このため、リフロー処理時、高融点はんだ部分３２Ａの微小ボイドは外周側の低融点はんだ部分３２Ｂに移動する。さらに、高融点はんだ部分３２Ａが凝固した後も、低融点はんだ部分３２Ｂがまだ溶融しており、微小ボイドはさらに外周側へ移動する。これにより、微小ボイドは、はんだ層３２の外周側に集まる。このような微小ボイドは熱抵抗の原因になるが、半導体装置１０では、微小ボイドが外周側に集まっており、半導体素子１２が通電するときの熱引けに影響を及ぼさない。半導体装置１０は、高い信頼性を有することができる。
（２）高融点はんだ部分３２Ａの線膨張係数が、低融点はんだ部分３２Ｂの線膨張係数よりも大きい。さらに、高融点はんだ部分３２Ａとドレインリードフレーム２２の線膨張係数差は、低融点はんだ部分３２Ｂとドレインリードフレーム２２の線膨張係数差よりも小さい。これにより、パワーサイクル試験において、半導体素子１２の中央部、即ち、素子領域（ゲート構造が形成されており、電流が流れる領域）への応力集中が緩和される。これにより、半導体装置１０の電気的特性への影響が抑えられ、半導体装置１０の信頼性が向上する。
【００２４】
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。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】
【００２５】
１０：半導体装置
１２：半導体素子
１４：ソース電極
１６：ドレイン電極
１８：金属ブロック
２０：ソースリードフレーム
２２：ドレインリードフレーム
２４：ソースリードフレーム
２６：モールド樹脂
３２，３４，３６：はんだ層
３２Ａ：高融点はんだ部分
３２Ｂ：低融点はんだ部分
３２ａ，３４ａ，３６ａ：微細粒子
４２：ドレイン端子
４４：ソース端子
４６：ゲート端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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