(57)【要約】【課題】半導体素子の強度を損なうことなく、高放熱効率の半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置は、半導体素子２と、この半導体素子２の裏面に重なり合う放熱板１と、半導体素子２と放熱板１とを接着固定する接着剤４と、を含む。半導体素子２の裏面に、前記半導体素子２の発熱部位６の直下に凹部７を形成する。また放熱板１の表面には凹部７と嵌まり合う凸部８を形成する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の半導体素子と、この半導体素子の裏面に接着材を介在して重なり合う放熱板とを含む半導体装置において、前記半導体素子の裏面には発熱部位の直下に凹部が形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記放熱板には前記凹部に嵌まり合う凸部が形成されてい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】
前記凹部が半球面状に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記凹部が断面Ｖ字状の溝に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記発熱部位が前記半導体素子表面に形成されている電極領域であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項６】
前記電極領域のうちワイヤーが接続される接続部の直下に前記凹部が形成されることを特徴とする請求項５に記載の半導体素子。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の半導体装置と、リード端子と、前記半導体素子の表面に形成されている電極とリード端子とを電気的に接続するワイヤーと、前記半導体装置、前記リード端子、及び、前記ワイヤーを封止するモールド樹脂とを備えることを特徴とする半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子と、この半導体素子の裏面に重ね合わせる放熱板と、それらを接着固定する接着材と、を含む半導体装置、及び、その半導体装置を備えた半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの半導体素子を含む半導体装置は、近年ますます高性能化が進んできている。その高性能化に伴い、半導体素子に加わる負荷電流は年々増加傾向にある。このような傾向のなか、半導体素子における内部損失の増加は免れず、半導体素子そのもの、ひいては半導体装置の発熱量が増加する。
【０００３】
一方、電子機器のサイズはますます小型化し、それに伴いその機器に搭載される半導体装置や、これを構成する半導体素子も当然に小型化されてきている。このような小型化は、半導体装置からの放熱面積が減少することから、放熱効率が低下する。
【０００４】
半導体素子は、これらの状況があいまって、温度上昇による所望の電気伝導性の保持が不可能になったり、熱応力による構造破壊などが発生する。すなわち半導体素子の温度上昇は半導体装置の信頼性の劣化の原因となる。
【０００５】
このような半導体素子の発熱問題に対し従来は、自然冷却を促進させるべく、半導体素子の裏面に設置された放熱板の表面積やランドパターンを拡大したり、あるいは強制的冷却を狙って、冷却ファンや冷却媒体循環装置などを別途取り付けたりしていた。
【０００６】
しかしながら、上記の冷却手法はいずれも半導体装置全体の大型化や価格の上昇を招き、一般的要求を満たす方向ではない。そこで近年では、半導体素子を構成する半導体基板の薄膜化による熱伝導の促進を図る手法や、半導体素子の裏面全域に溝を形成することで放熱面積の拡大を図り、また、その溝により熱応力による歪みを緩和する手法などがとられてきた。（例えば特許文献１参照）これらによって半導体装置のサイズを大型化することなく、半導体装置動作時の放熱効果を促進してきた。
【特許文献１】特開２００１−３３８９３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、放熱促進のための半導体素子の薄型化や半導体素子の裏面における溝の形成は、その半導体素子の強度の低下を招き、半導体装置の作製時に、割れ、カケ等の不具合が生じる可能性が高くなり、歩留まりや製造効率の面で問題が大きい。逆にいえば、その歩留まりや製造効率を低下させないようにするために、薄膜化や溝の深さ（半導体素子の膜厚）あるいは溝の数に限界が生じている。
【０００８】
そこで本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、半導体素子の強度を損なうことなく、高放熱効率の半導体装置及び半導体モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の半導体装置は、半導体素子と、この半導体素子の裏面に重なり合う放熱板と、前記半導体素子と前記放熱板とを接着固定する接着材とを含む半導体装置であって、前記半導体素子の裏面には前記半導体素子の発熱部位の直下にのみ凹部が形成されている。かかる構成により半導体素子の発熱部位から接着材への距離が縮小され、また半導体素子と接着材との接触面積が拡大する。その結果、半導体素子に発生した熱が効率よく接着材及び放熱板に伝わり、放熱効率の向上が実現される。さらに上記半導体素子の裏面の凹部形成に加えて、その裏面に接着材を介して重なり合う放熱板に前記凹部に嵌まり合う凸部を形成することによって、上記構造以上に、高い放熱効率を有する半導体装置を提供することが可能となる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の半導体装置によれば、高放熱効率をもつ半導体装置が実現され、半導体装置の小型化や損失の低減をもたらし、コスト削減や価格の低下につながる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明に至るに当たり、本発明者は半導体装置動作時の半導体素子の発熱部位に着目した。特に電圧制御装置のように積極的に電圧損失を動作制御に用いる半導体素子においては、その電圧損失が直接、熱に変換されるため発熱量が多い。しかし発熱量が一定量を超えると、所望の電圧供給が困難になり、半導体装置の動作に支障をきたす。ここで、半導体素子の発熱部位はその半導体素子表面の電極形成領域であることが多く、さらには、その電極形成領域内においても、ワイヤー接続部は電流密度の増加から特に発熱量が多いといった、発熱量の面内分布を持つ。
【００１２】
以下に、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳述する。
【００１３】
先ず、本発明の第１実施形態の半導体装置、及び、これを備えた半導体モジュールについて説明する。図１は本実施形態の樹脂封止型半導体モジュールの外観を示す、上面図である。図２は図１のＡ−Ａ断面図である。図３は本実施形態の半導体素子の斜視図である。図４は本実施形態での半導体装置の断面図である。図５は本実施形態の製造フローを示す図である。１は放熱板、２および３は半導体素子、４および５は接着材、６は発熱部位、７は凹部、８は凸部、９はリード端子、１０はモールド樹脂、１１はワイヤー、１２は電極、１３はウエハ、１４は素子回路、１５は金型、１６はベース電極、１７はエミッタ電極、１８はワイヤー接続位置、１９はボンディングパット領域、２０は貫通孔、２１は裏面電極をそれぞれ示す。
【００１４】
図１〜４に示すように、本実施形態での半導体モジュールでは、板状の半導体素子２、３表面には電極が形成されており、その電極形成領域が発熱部位６となる。発熱部位６の直下の裏面に選択的に凹部７を形成した半導体素子２（以下、半導体素子３については半導体素子２と同様のため説明は省略する）と、凹部７に嵌まり合う凸部８が表面に形成されている放熱板１とが、接着材４により、凹部７と凸部８が対応する位置で接着固定されている。このような接着剤４を介して互いに接着された半導体素子２と放熱板１によって半導体装置が構成されている。各リード端子９は電極形成領域と電気的にワイヤー１１で接続されている。これら半導体素子２と、接着材４と、放熱板１と、ワイヤー１１と、前記リード端子９の一部とが、モールド樹脂１０によって樹脂封止されている。ここでの接着材４には、半導体素子２を形成する基板材料（例えばシリコン）よりも、熱伝導性の高い材料（半田材や銀ペースト類など）を用いることが望ましい。かかる構造により、半導体素子２表面の発熱部位６と放熱板１（高熱伝導性部材）との距離が短縮され、高放熱効率の半導体装置を作製することができる。また、凹部７が形成される領域が、半導体素子２の発熱部位６直下と限定されることによって、形成される凹部７の数あるいは面積を、従来の加工形状と比較して、少なくすることが可能である。これにより、半導体素子２の面強度の低下を抑えることが可能となり、すなわち、製造工程における割れやカケなどを抑え、歩留まりが向上する。なお、新たな冷却装置を外付けしないため、装置の小型化も可能となる。
【００１５】
ここで、本実施形態の基幹構造における作製プロセスの一例を図５を用いて簡単に説明する。先ず、図５(ａ)、（ｂ）に示すように、素子回路１４が作り込まれたウエハ１３を用意する（図５（ｂ）以降は断面拡大図）。次に、図５（ｃ）に示すように、素子回路１４が作製されている領域内において、発熱量の高い部位（発熱部位６、ただし図３では図示せず）の直下の裏面を研削する。その後、図５（ｄ）に示すように、電極１２と裏面電極２１を真空蒸着などにより形成する。
【００１６】
一方、放熱板１は、図５（ｅ）に示すように、予め作製された金型１５と、銅板などの熱伝導性の良い材料で作製された平板状の放熱板１を用意する。その後、図５（ｆ）、（ｇ）に示すように、金型１５と放熱板１をプレスすることによって、放熱板１の表面に凸部８を形成する。図５（ｈ）、（ｉ）に示すように、半導体素子２と放熱板１それぞれをダイシングなどにより分離させる。
【００１７】
最後に、図５（ｊ）に示すように、接着材４によって半導体素子２と放熱板１を接着固定する。こうして本実施形態の半導体装置が作製される。
【００１８】
次に、本発明の第２実施形態について、図６及び図７を参照しながら説明する。なお、図中で図１〜図２１において同じ名称で同じ機能を果たす部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。後述する第３実施形態以降においても同様とする。
【００１９】
第２実施形態の特徴は、第１実施形態における半導体素子２の裏面の凹部形状を変形した点にある。つまり、図６に示すように凹部７及び放熱板１の凸部８が半球面状になっている。かかる構造により、ワイヤー接続位置１８等の発熱中心から放熱板１（高熱伝導性部材）までの距離が短縮され、高放熱効率の半導体装置を提供することが可能となる。また第１の実施形態と比較して、より応力が緩和され、製造工程での割れや欠けなどが少なくできることから、半導体素子２並びに半導体装置全体ひいては半導体モジュールの薄型化も期待できる。
【００２０】
次に、本発明の第３実施形態について、図８及び図９を参照しながら説明する。本第３実施形態の特徴は、第１実施形態における半導体素子２の裏面の凹部７および放熱板１の凸部８を断面Ｖ字状にした点にある。かかる構造により、前記第１および第２実施形態と同様に高放熱効率の半導体装置を提供することが可能となる。この実施形態は、発熱量の分布が、半導体素子２表面における任意の局所を中心に、段階的に分布する場合などに特に有効である。
【００２１】
次に、本発明の第４実施形態について、図１０及び図１１を参照しながら説明する。図１０は半導体素子２の表面において、発熱部位６が前記表面の片側に偏在しているときの、前記半導体素子２の形状を示す。第１〜３実施形態と同様に、放熱板１の表面には図１１に示すように、半導体素子２の裏面の凹部７に嵌まり合う凸部８が形成されている。この場合においても前記発熱部位６の直下のみを、半導体基板の裏面側から研削することによって、半導体素子２を薄型化し放熱効率を高めることが可能となる。
【００２２】
次に、本発明の第５実施形態について、図１２〜図１４を参照しながら説明する。図１２は、半導体素子２の表面において、発熱部位６が前記表面の両端付近に偏在しているときの半導体素子２の形状を示し、図１３は本実施形態の半導体装置の断面図を示す。図１４は本実施例における半導体素子２表面の電極形状の一例を示す上面図である。図１４のようにベース電極１６とエミッタ電極１７が形成されている場合、特に発熱量が高い領域は、電流密度が高くなるボンディングパット領域１９、１９である。これは、電流密度が上昇することで、電子の散乱確率が高まり、散乱によって失われたエネルギーが熱に変換されるからである。ボンディングパット領域１９、１９は半導体素子２を側面Ｘから観察すると、半導体素子２の両端に位置する。したがって、図１２に示す半導体素子２形状によって高い放熱効率が実現される。
【００２３】
次に本発明の第６実施形態について図１５を参照しながら説明する。第１の実施形態においては、半導体素子２の裏面の凹部７は放熱板１の凸部８が嵌まりあっている。しかし本実施形態では前記凹部７は前記半導体素子２を構成する半導体基板材料（例えばシリコン）よりも高い熱伝導性を有した接着材４によって充填されていることを特徴とする。即ち、放熱板１の表面には凸部８が形成されていない。かかる構造により、図３に示した製造工程において、放熱板１の凸部８を形成する工程が不要となり、製造コストの削減が可能となる。当然に、第２から第５実施形態においても同様の変更が可能であり、それぞれの優位性を継承したまま、コストの削減が可能となる。（図１６〜図１９参照）
【００２４】
次に本発明の第７実施形態について図２０及び図２１を参照しながら説明する。本発明の第１〜６実施形態は、半導体素子２の発熱部位６を特定し、その発熱部位直下の形状を加工するものであるが、半導体素子２の形状や発熱部位６の領域によって、より効率の良い放熱効果を得ることが可能である。それは図２０、２１に示すように、半導体素子２の、半導体装置の動作に寄与しない部分に、貫通孔２０を形成し、前期貫通孔２０に放熱板１の凸部８を嵌め込んだ形状である。すなわち、これまでの半導体素子ではデットスペースとなっていた部分に放熱板１を貫通させることで、より発熱部位近傍に放熱板１を設けることが可能となる。
【００２５】
また、上述したように、半導体素子２の発熱部位６は主に電極形成領域であり、さらにこの電極形成領域中においても電流密度が特に高くなるワイヤー接続位置１８は特に高温となる。ここで、電極形成領域は半導体素子中の回路構成に依存するので、前記電極形成領域を任意に選択することはできない。しかし、電極形成領域中のワイヤー接続位置１８は、電極内に形成されたボンディングパット領域１９の中では、任意に選択可能である。したがって、ワイヤー接続位置１８を貫通孔近傍に選択設計することで、より高い放熱効率を得ることが可能となる。
【００２６】
このように、半導体装置内の半導体素子２において、前記半導体装置の動作時における半導体素子２の発熱部位６が特定可能である現在では、その発熱部位６の直下に選択的に凹部７を形成（発熱部位６のみ薄型化）し、前記凹部７に嵌まり合う凸部８を形成した放熱板１を、接着材４によって半導体素子２の裏面に接着固定する、あるいは、前記凹部７を高熱伝道性の接着材４で充填し放熱板１を接着固定することで、高放熱効率の半導体装置および半導体モジュールの作製が可能である。
【００２７】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。例えば上記の実施形態（例えば実施形態１と実施形態７）を組み合わせることによって、さらなる高放熱効率を有する半導体装置および半導体モジュールを提供することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明は、より高い集積度を必要とする半導体装置に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１実施形態の半導体モジュールを示す図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】第１実施形態の半導体素子の斜視図である。
【図４】第１実施形態の半導体装置の断面図である。
【図５】第１実施形態の製造フローを示す図である。
【図６】本発明の第２実施形態の半導体素子の斜視図である。
【図７】第２実施形態の半導体装置の断面図である。
【図８】本発明の第３実施形態の半導体素子の斜視図である。
【図９】第３実施形態の半導体装置の断面図である。
【図１０】本発明の第４実施形態の半導体素子の斜視図である。
【図１１】第４実施形態の半導体装置の断面図である。
【図１２】本発明の第５実施形態の半導体素子の斜視図である。
【図１３】第５実施形態の半導体装置の断面図である。
【図１４】本発明の第５実施形態の半導体素子表面に形成された電極の上面図である。
【図１５】第６実施形態の半導体装置の断面図である。
【図１６】本発明の第６実施形態の一変形例である。
【図１７】本発明の第６実施形態の一変形例である。
【図１８】本発明の第６実施形態の一変形例である。
【図１９】本発明の第６実施形態の一変形例である。
【図２０】本発明の第７実施形態の半導体素子の斜視図である。
【図２１】本発明の第７施形態の半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１    放熱板
２    半導体素子
３    半導体素子
４    接着材
５    接着材
６    発熱部位
７    凹部
８    凸部
９    リード端子
１０    モールド樹脂
１１    ワイヤー
１２    電極
１３    ウエハ
１４    素子回路
１５    金型
１６    ベース電極
１７    エミッタ電極
１８    ワイヤー接続位置
１９    ボンディングパット領域
２０    貫通孔
２１    裏面電極
【図３】
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【図４】
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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】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図１】
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【図２】
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【図５】
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