(57)【要約】【課題】半導体装置に組み込まれた温度センス用ダイオードの電気特性のばらつきを抑制する。【解決手段】本明細書が開示する半導体装置は、温度センス用ダイオードを有する半導体素子と、半導体素子が配置された導体板と、半導体素子と導体板とを一体に保持する封止体とを備える。この半導体装置では、封止体の厚み方向に沿って平面視したときに、温度センス用ダイオード内を流れる電流の向きが、封止体の矩形状の外周縁の各辺に対して傾くように、半導体素子が配置されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度センス用ダイオードを有する半導体素子と、
前記半導体素子が配置された導体板と、
前記半導体素子と前記導体板とを一体に保持する封止体と、
を備え、
前記封止体の厚み方向に沿って平面視したときに、前記温度センス用ダイオード内を流れる電流の向きが、前記封止体の矩形状の外周縁の各辺に対して傾くように、前記半導体素子が配置されている、
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、温度センス用ダイオードを有する半導体素子と、半導体素子が配置された導体板と、半導体素子と導体板とを一体に保持する封止体とを備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１４６４２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した半導体装置の封止体は、熱硬化性樹脂によって構成されており、金型を用いて成形される。熱硬化性樹脂は、高温で成形及び硬化されることから、その後の温度低下に伴って、成形後の封止体には熱収縮が生じる。このとき、封止体、導体板、半導体素子の間では、線膨張係数が互いに大きく異なることから、封止体の内部に配置された半導体素子には、比較的に大きな圧縮応力が作用する。通常、封止体は導体板に合わせて矩形の板形状を有するので、その内部に位置する半導体素子には、板形状の封止体に対して平行な方向に強く作用する。
【０００５】
一般に、温度センス用ダイオードは、半導体素子の中心付近に位置しているため、封止体から半導体素子にかかる圧縮応力は、温度センス用ダイオードに強く作用する。温度センス用ダイオードに圧縮応力が作用すると、ピエゾ抵抗効果によって、温度センス用ダイオードの電気特性（例えば順方向電圧）に変化が生じる。ここで、温度センス用ダイオードの電気特性には、製造上の避けられないばらつき（個体差）が最初から存在している。このばらつきに上記した圧縮応力に起因する変化がさらに加わると、半導体装置に組み込まれた段階では、温度センス用ダイオードの電気特性のばらつきがさらに大きくなり得る。本明細書は、このような電気特性のばらつきを抑制し得る技術を提供する。
【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は、温度センス用ダイオードを有する半導体素子と、半導体素子が配置された導体板と、半導体素子と導体板とを一体に保持する封止体とを備える。この半導体装置では、封止体の厚み方向に沿って平面視したときに、温度センス用ダイオード内を流れる電流の向きが、封止体の矩形状の外周縁の各辺に対して傾くように、半導体素子が配置されている。
【０００７】
上述したように、温度センス用ダイオードに圧縮応力が作用すると、ピエゾ抵抗効果によって、温度センス用ダイオードの電気特性に変化が生じる。この電気特性に生じる変化の度合いは、圧縮応力の大きさだけでなく、圧縮応力が作用する向きによっても変化する。特に、温度センス用ダイオードに作用する圧縮応力の向きが、温度センス用ダイオード内を流れる電流の向きに対して垂直であると、温度センス用ダイオードの電気特性に生じる変化は大きくなる。また、封止体の形状は、例えば矩形の板状であって、例えば球形のような対称形ではないことから、封止体の内部で生じる圧縮応力には異方性があり、その大きさが方向に応じて変化する。
【０００８】
本明細書が開示する技術では、これらの関係性を組み合わせて用いることで、温度センス用ダイオードの電気特性のばらつきを抑制する。具体的には、温度センス用ダイオードの実際の電気特性に応じて、封止体内における温度センス用ダイオードの向きを個別に決定する。即ち、封止体内における温度センス用ダイオードの向きを変更すれば、温度センス用ダイオードに圧縮応力が強く作用する方向が変化するので、温度センス用ダイオードの電気特性に生じる変化を調整することができる。従って、温度センス用ダイオードの電気特性に既存する製造上の個体差に応じて、封止体内に配置する温度センス用ダイオードの向きを個別に決定すれば、圧縮応力に起因する電気特性の変化によって、既存する製造上の個体差を相殺することができる。その結果、本明細書が開示する半導体装置では、封止体の厚み方向に沿って平面視したときに、温度センス用ダイオード内を流れる電流の向きが、封止体の矩形状の外周縁の各辺に対して傾くように、半導体素子が配置され得る。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例１の半導体装置１０の内部構造を示す断面図。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線における断面図。
【図３】半導体装置１０の製造方法のフローチャート。
【図４】半導体装置１０にかかる圧縮応力Ｆに対して、決定した温度センス用ダイオード２０の実装角度θを基に半導体装置１０を組み立てる工程を示す。
【図５】温度センス用ダイオード２０の順方向電圧の頻度分布を示す。
【図６】温度センス用ダイオード２０の順方向電圧のトリミング量ΔＶに対する温度センス用ダイオード２０の実装角度θを示す。
【図７】温度センス用ダイオード２０の実装角度θに対して生じる順方向電圧の変化の度合いを示す。
【図８】実施例２の半導体装置１００の内部構造を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１−図７を参照して、実施例１の半導体装置１０及びその製造方法について説明する。図１に示すように、半導体装置１０は、半導体素子１２、導体スペーサ１４、上側導体板１６、下側導体板１８及び封止体３０を備える。半導体素子１２は、封止体３０の内部に封止されている。封止体３０は、例えばエポキシ樹脂といった熱硬化性の樹脂で構成されている。
【００１１】
半導体素子１２は、エミッタ電極１２ａとコレクタ電極１２ｂとを有する。エミッタ電極１２ａは半導体素子１２の上面に位置しており、コレクタ電極１２ｂは半導体素子１２の下面に位置している。半導体素子１２は、一例ではあるがＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）素子を採用することができる。但し、半導体素子１２は、ＩＧＢＴ素子に特別に限定されず、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）素子などの他のパワー半導体素子であってもよい。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。エミッタ電極１２ａ及びコレクタ電極１２ｂ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。
【００１２】
導体スペーサ１４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ることができる。導体スペーサ１４は、概して板形状あるいはブロック形状の部材であり、上面１４ａと、上面１４ａとは反対側に位置する下面１４ｂとを有する。導体スペーサ１４の下面１４ｂは半導体素子１２のエミッタ電極１２ａに、はんだ層３４を介して接合されている。導体スペーサ１４の上面１４ａは、後述する上側導体板１６の下面１６ｂに、はんだ層３２を介して接合されている。これにより、導体スペーサ１４は半導体素子１２と電気的に接続されている。導体スペーサ１４は、必ずしも必要とされないが、後述する複数の第１信号端子２６及び複数の第２信号端子２８を半導体素子１２に接続する際のスペースを確保する。
【００１３】
上側導体板１６及び下側導体板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ることができる。上側導体板１６は、例えば、概して板形状あるいは直方体形状の部材であり、上面１６ａとその上面１６ａの反対側に位置する下面１６ｂとを有する。前述したが、上側導体板１６の下面１６ｂは、導体スペーサ１４の上面１４ａにはんだ層３２を介して接合されている。これにより、上側導体板１６は、導体スペーサ１４と電気的に接続され、導体スペーサ１４を介して半導体素子１２と電気的に接続されている。本実施例においては、一例ではあるが、上側導体板１６の上面１６ａは、封止体３０の外部に露出している。
【００１４】
下側導体板１８は、例えば、概して板形状あるいは直方体形状の部材であり、上面１８ａとその上面１８ａの反対側に位置する下面１８ｂとを有する。下側導体板１８の上面１８ａは、半導体素子１２のコレクタ電極１２ｂにはんだ層３６を介して接合されている。これにより、下側導体板１８は半導体素子１２と電気的に接続されている。本実施例においては、一例ではあるが、下側導体板１８の下面１８ｂは、封止体３０の外部に露出している。上側導体板１６及び下側導体板１８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は封止体３０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。但し、半導体装置１０は両面冷却構造に限定されず、例えば、上側導体板１６の上面１６ａ、又は、下側導体板１８の下面１８ｂのいずれか一方の面が、封止体３０の外部に露出している片面冷却構造を有していてもよい。
【００１５】
図２に示すように、半導体装置１０は、複数の第１信号端子２６と複数の第２信号端子２８とを備える。複数の第１信号端子２６と複数の第２信号端子２８とは、封止体３０の外部から内部に亘って延びており、封止体３０の内部で半導体素子１２に電気的に接続されている。
【００１６】
半導体装置１０の半導体素子１２は、温度センス用ダイオード２０をさらに有する。温度センス用ダイオード２０は、半導体素子１２の上面の中心付近に位置している。加えて、半導体装置１０は、封止体３０の厚み方向に沿って平面視したときに、温度センス用ダイオード２０内を流れる電流の向きが封止体３０の矩形状の外周縁の各辺に対して傾くように、半導体素子１２が配置されている。温度センス用ダイオード２０は、例えばポリシリコンで構成されている。温度センス用ダイオード２０は、ｐ型半導体層２０ｐとｎ型半導体層２０ｎとを有する。温度センス用ダイオード２０は、ｐ型半導体層２０ｐ上にアノード電極２０ａを有し、ｎ型半導体層２０ｎ上にカソード電極２０ｃを有している。温度センス用ダイオード２０のアノード電極２０ａ及びカソード電極２０ｃは、例えばアルミニウムやポリシリコン等で構成されている。
【００１７】
半導体装置１０の半導体素子１２は、ｐ型用信号パッド２２及びｎ型用信号パッド２４をさらに備える。ｐ型用信号パッド２２及びｎ型用信号パッド２４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が採用されている。ｐ型用信号パッド２２は、複数の第１信号端子２６にボンディングワイヤ２７を用いて接続されている。ｎ型用信号パッド２４は、複数の第２信号端子２８にボンディングワイヤ２９を用いて接続されている。
【００１８】
温度センス用ダイオード２０は、ｐ型半導体層２０ｐからｎ型半導体層２０ｎへ定電流が流れると、順方向電圧を発生する。この順方向電圧は、温度に対して強い相関があり、温度センス用ダイオード２０の温度が上昇すると、順方向電圧は低下する。上述したように、温度センス用ダイオード２０は、半導体素子１２の上面の中心付近に位置する。そのため、温度センス用ダイオード２０の温度は、半導体素子１２の温度と略一致する。これにより、温度センス用ダイオード２０を用いて、半導体素子１２の温度を検出することができる。
【００１９】
本実施例の半導体装置１０の封止体３０は、熱硬化性樹脂によって構成されており、金型を用いて成形される。熱硬化性樹脂は、高温で成形及び硬化されることから、その後の温度低下に伴って、成形後の封止体３０には熱収縮が生じる。このとき、封止体３０、導体板１６、１８、半導体素子１２の間では、線膨張係数が互いに大きく異なることから、封止体３０の内部に配置された半導体素子１２には、比較的に大きな圧縮応力が作用する。封止体３０は導体板１６、１８に合わせて矩形の板形状を有するので、その内部に位置する半導体素子１２には、板形状の封止体３０に対して平行な方向に強く作用する。
【００２０】
上記したように温度センス用ダイオード２０は、半導体素子１２の中心付近に位置しているため、封止体３０から半導体素子１２にかかる圧縮応力は、温度センス用ダイオード２０に強く作用する。温度センス用ダイオード２０に圧縮応力が作用すると、ピエゾ抵抗効果によって、温度センス用ダイオード２０の電気特性（例えば順方向電圧）に変化が生じる。ここで、温度センス用ダイオード２０の電気特性には、製造上の避けられないばらつき（個体差）が最初から存在している。このばらつきに上記した圧縮応力に起因する変化がさらに加わると、半導体装置１０に組み込まれた段階では、温度センス用ダイオード２０の電気特性のばらつきがさらに大きくなり得る。
【００２１】
上述したように、温度センス用ダイオード２０に圧縮応力が作用すると、ピエゾ抵抗効果によって、温度センス用ダイオード２０の電気特性に変化が生じる。この電気特性に生じる変化の度合いは、圧縮応力の大きさだけでなく、圧縮応力が作用する向きによっても変化する。特に、温度センス用ダイオード２０に作用する圧縮応力の向きが、温度センス用ダイオード２０内を流れる電流の向きに対して垂直であると、温度センス用ダイオード２０の電気特性に生じる変化は大きくなる。また、封止体３０の形状は、例えば矩形の板状であって、例えば球形のような対称形ではないことから、封止体３０の内部で生じる圧縮応力には異方性があり、その大きさが方向に応じて変化する。
【００２２】
本実施例の半導体装置１０では、これらの関係性を組み合わせて用いることで、温度センス用ダイオード２０の電気特性のばらつきが抑制されている。具体的には、温度センス用ダイオード２０の実際の電気特性に応じて、封止体３０内における温度センス用ダイオード２０の向きが個別に決定されている。即ち、封止体３０内における温度センス用ダイオード２０の向きを変更すれば、温度センス用ダイオード２０に圧縮応力が強く作用する方向が変化するので、温度センス用ダイオード２０の電気特性に生じる変化を調整することができる。従って、温度センス用ダイオード２０の電気特性に既存する製造上の個体差に応じて、封止体３０内に配置する温度センス用ダイオード２０の向きを個別に決定すれば、圧縮応力に起因する電気特性の変化によって、既存する製造上の個体差を相殺することができる。その結果、本実施例の半導体装置１０では、封止体３０の厚み方向に沿って平面視したときに、温度センス用ダイオード２０内を流れる電流の向きが、封止体３０の矩形状の外周縁の各辺に対して傾くように、半導体素子１２が配置されることを特徴としている。
【００２３】
次いで、図３−図７を参照して、実施例１の半導体装置１０の製造方法を説明する。但し、ここでは特に、図４に示すような温度センス用ダイオード２０の実装角度θを決定するための一連の工程について説明する。ここで、温度センス用ダイオード２０を後工程で形成される封止体３０の長手方向に対して平行に配置する場合を基準位置とし、温度センス用ダイオード２０の中心を基点に基準位置から回転方向に回転させた角度を実装角度θと称する。他の構成要素を形成する工程については、公知である各種の手法を適宜用いて形成することができる。ここで、一例ではあるが、使用した温度センス用ダイオード２０は、下記の性質を有するものを用いる。半導体装置１０に組み込まれる段階において、温度センス用ダイオード２０の順方向電圧の分布ｘは、例えば−３０ｍＶ変位し分布ｙへシフトする（即ち、オフセット値ＶＯＦＦＳＥＴ＝３０）。且つ、半導体装置１０に組み込まれる段階において、温度センス用ダイオード２０の順方向電圧の分布ｘは、例えば±１０ｍＶから±１５ｍＶの分布ｙへと変位する（図５参照）。但し、ここでいう順方向電圧は、温度センス用ダイオード２０における電気特性の一例である。
【００２４】
先ず、ステップＳ１２では、各温度センス用ダイオード２０の順方向電圧を測定する。上記した通り、温度センス用ダイオード２０の順方向電圧には、製造上の避けられないばらつき（個体差）が存在している。そのため、温度センス用ダイオード２０の実装角度θを決定するにためには、この温度センス用ダイオード２０の順方向電圧のばらつきを予め把握する必要がある。ここで、測定された複数の温度センス用ダイオード２０の順方向電圧の分布ｘが１３５０±１０ｍＶとしたとき、半導体装置１０に組み込まれる段階において、分布ｘが分布ｙに変位し、その分布ｙは１３２０＋１５ｍＶになると推定される。
【００２５】
次いで、ステップＳ１４では、各温度センス用ダイオード２０のトリミング量ΔＶの算出をする。ここで、トリミングとは半導体装置１０に組み込まれる段階において、推定される分布ｙを所望する分布ｚ（順方向電圧の理想値）に調整する（即ち、順方向電圧のばらつきを低減させる）ことを指す。先ず、トリミングで調整する理想値（分布ｚの平均値）を設定する。順方向電圧の理想値は、下記の式で決定される。
理想値＝分布ｙの平均値＋オフセット値ＶＯＦＦＳＥＴ／２
本実施例の場合、理想値＝１３２０（ｍＶ）＋３０（ｍＶ）／２＝１３３５（ｍＶ）となる。次いで、トリミング量ΔＶは、次式で算出される。
トリミング量ΔＶ＝理想値−（各測定値−オフセット値ＶＯＦＦＳＥＴ）
仮に、先のステップＳ１２で測定したある温度センス用ダイオード２０の順方向電圧が１３４５ｍＶであったとすると、トリミング量ΔＶ＝１３３５−（１３４５−３０）＝２０（ｍＶ）と算出される。
【００２６】
次いでステップＳ１６では、温度センス用ダイオードの実装角度θを決定する。実装角度θは、図６を参照して、上記で求めたトリミング量ΔＶから求めることができる。従って、本実施例では、トリミング量ΔＶが２０ｍＶであることから、温度センス用ダイオード２０の実装角度θは、２０°と決定される。
【００２７】
図４に示すように、ステップＳ１８では、決定された実装角度θを基に半導体装置１０の組み立てを行う。封止体３０の形状は、例えば矩形の板状であって、例えば球形のような対称形ではない。そのため、封止体３０の内部で生じる圧縮応力には異方性があり、その大きさが方向に応じて変化する。特に本実施例では、封止体３０の外周縁の長手方向の各辺において大きな圧縮応力Ｆが生じる。このような場合であっても、後工程で形成される封止体３０内における温度センス用ダイオード２０の向き（実装角度θ）を変更することで、温度センス用ダイオード２０に圧縮応力Ｆが強く作用する方向が変化することを利用し、温度センス用ダイオード２０の順方向電圧に生じる変化を調整することができる（図７参照）。従って、温度センス用ダイオード２０の順方向電圧に既存する製造上の個体差に応じて、封止体３０内に配置する温度センス用ダイオード２０の向き（実装角度θ）を個別に決定すれば、圧縮応力Ｆに起因する順方向電圧の変化によって、既存する製造上の個体差を相殺することができる。即ち、半導体装置１０に組み込まれた温度センス用ダイオード２０の順方向電圧のばらつきを抑制させることができる。
【００２８】
本実施例の半導体装置１０は、温度センス用ダイオード２０が半導体素子１２上に固定されている。そのため、決定された実装角度θに合わせて温度センス用ダイオード２０を配置するために、半導体素子１２の実装する向きを変更する。その結果、半導体素子１２の矩形状の外周縁の各辺は、封止体３０の矩形状の外周縁の各辺に対して傾いている。但し、これらの位置構成は、本実施例の構成に限定されない。封止体３０の厚み方向に沿って平面視したときに、温度センス用ダイオード２０内を流れる電流の向きが、封止体３０の矩形状の外周縁の各辺に対して傾くように、半導体素子１２が配置されていればよい。例えば、封止体３０と半導体素子１２とが一体に固定されており、決定された実装角度θに合わせて温度センス用ダイオード２０が単体で回転され、封止体３０に対して傾いていてもよい。
【００２９】
図８を参照して、実施例２の半導体装置１００について説明する。半導体装置１００は、半導体素子１１２が複数のｐ型用信号パッド１２２及び複数のｎ型用信号パッド１２４を有しており、この点において、実施例１の半導体装置１０とは異なっている。従って、ここでは複数のｐ型用信号パッド１２２及びｎ型用信号パッド１２４に関連する構成についてのみ説明する。実施例２における他の構成については、実施例１に準ずるものとして、説明を省略する。
【００３０】
上記したが、本実施例の半導体装置１００において、半導体素子１１２は複数のｐ型用信号パッド１２２及び複数のｎ型用信号パッド１２４を有している。複数のｐ型用信号パッド１２２及び複数のｎ型用信号パッド１２４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が採用されている。複数のｐ型用信号パッド１２２は、温度センス用ダイオード２０を中心として、円弧上に配置されている。複数のｎ型用信号パッド１２４も、温度センス用ダイオード２０を中心として、円弧上に配置されている。実施例１と同様に、ｐ型用信号パッド１２２は、複数の第１信号端子２６に接続されており、ｎ型用信号パッド１２４は、複数の第２信号端子２８に接続されている。上記した構成によると、半導体素子１１２を様々な向きで配置した場合でも、各々の信号端子２６、２８を比較的に近い位置にあるｐ型用信号パッド１２２又はｎ型用信号パッド１２４に接続することができる。これにより、ワイヤボンディングの大幅な調整や変更を必要とすることなく、温度センス用ダイオード２０の実装角度を変更することができる。
【００３１】
複数のｐ型用信号パッド１２２及び複数のｎ型用信号パッド１２４が配置される円弧の寸法（半径や中心角）は特に限定されず、複数のｐ型用信号パッド１２２及び複数のｎ型用信号パッド１２４が同心円上に配置されていてもよい。
【００３２】
以上、いくつか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。本明細書又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る。
【符号の説明】
【００３３】
１０、１００：半導体装置
１２、１１２：半導体素子
１２ａ：エミッタ電極
１２ｂ：コレクタ電極
１４：導体スペーサ
１６：上側導体板
１８：下側導体板
２０：温度センス用ダイオード
２０ａ：アノード電極
２０ｃ：カソード電極
２０ｎ：ｎ型半導体層
２０ｐ：ｐ型半導体層
２２、１２２：ｐ型用信号パッド
２４、１２４：ｎ型用信号パッド
２６：第１信号端子
２７、２９：ボンディングワイヤ
２８：第２信号端子
３０：封止体
３２、３４、３６：はんだ層
Ｆ：圧縮応力
ｘ：温度センス用ダイオードの順方向電圧の測定分布
ｙ：半導体装置に組み込まれた温度センス用ダイオードの順方向電圧の推定分布
ｚ：半導体装置に組み込まれた温度センス用ダイオードの順方向電圧の理想分布
ΔＶ：トリミング量
θ：温度センス用ダイオードの実装角度
【図１】
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【図２】
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【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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