(57)【要約】      （修正有）【課題】絶縁基板の両面に金属層が設けられた放熱板を備えながら、封止樹脂の十分な充填を達し得る半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置１は、半導体素子Ｄと、半導体素子１からの熱を放熱する放熱板１２，２２と、半導体素子１および放熱板１２，２２の周囲を封止する封止樹脂４１とを備える。放熱板１２，２２は、絶縁基板１２ｂ、２２ｂと、絶縁基板１２ｂ、２２ｂの半導体素子１側の面上に積層された第１の金属層１２ａ、２２ａと、絶縁基板１２ｂ、２２ｂの半導体素子１側と反対側の面上に積層された第２の金属層１２ｃ、２２ｃとを有する。第２の金属層１２ｃ、２２ｃの絶縁基板１２ｂ、２２ｂ側と反対側の面は、封止樹脂４１の外側に露出しており、第２の金属層１２ｃ、２２ｃの外周縁の全体が絶縁基板１２ｂ、２２ｂの外周縁よりも外側にある。【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、
前記半導体素子からの熱を放熱する放熱板と、
前記半導体素子および前記放熱板の周囲を封止する封止樹脂とを備え、
前記放熱板は、絶縁基板と、前記絶縁基板の前記半導体素子側の面上に積層された第１の金属層と、前記絶縁基板の前記半導体素子側と反対側の面上に積層された第２の金属層とを有し、
前記第２の金属層の前記絶縁基板側と反対側の面は、前記封止樹脂の外側に露出しており、
前記第２の金属層の外周縁の全体が前記絶縁基板の外周縁よりも外側にある、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、放熱板を有し樹脂封止された半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワー半導体モジュールとして、半導体素子と、当該半導体素子で発生した熱を放熱フィンへと導く放熱板とを含み、全体が樹脂封止された実装構造を有するものがある。当該放熱板は、例えば特許文献１および２に記載されているように、高熱伝導率を有するセラミックス材などからなる絶縁基板の両面に金属層が接合された構成をなす。放熱板の一方の金属層は回路配線をなすとともに、封止樹脂内で例えば半導体素子からの伝熱を行う金属体に接合され、他方の金属層は封止樹脂外に設けられた放熱フィンに接合される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−０４１７５２号公報
【特許文献２】特開２０１４−０６０４１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の実装構造においては、放熱板に含まれる２つの金属層のうち前記他方の金属層は、一方面側で封止樹脂から露出するように配置される。しかしながら、樹脂封止工程において、当該他方の金属層の外周縁付近に樹脂が十分に充填されない虞がある。
【０００５】
この問題を、図３を用いて説明する。図３（ａ）に示す半導体装置１０１において、半導体素子Ｄの一方面上に、半導体素子Ｄ側から順に、ヒートスプレッダ１１０および放熱板１２０が積層されている。半導体素子Ｄの他方面上に、半導体素子Ｄ側から順に、金属ブロック２００、ヒートスプレッダ２１０、および、放熱板２２０が積層されている。
【０００６】
半導体素子Ｄとヒートスプレッダ１１０とは、はんだ層３１０により接合されている。半導体素子Ｄと金属ブロック２００とは、はんだ層３２０により接合されている。金属ブロック２００とヒートスプレッダ２１０とは、はんだ層３３０により接合されている。
【０００７】
放熱板１２０は、半導体素子Ｄ側から順に、金属層１２０ａ、絶縁基板１２０ｂ、および、金属層１２０ｃが積層された構成を有する。放熱板２２０は、半導体素子Ｄ側から順に、金属層２２０ａ、絶縁基板２２０ｂ、および、金属層２２０ｃが積層された構成を有する。
【０００８】
半導体素子Ｄと半導体素子Ｄの上下の積層物とからなる積層体の全体は、封止樹脂４１０によって封止されている。金属層１２０ｃおよび金属層２２０ｃの、半導体素子Ｄ側とは反対側の面は、封止樹脂４１０の外側に露出している。
【０００９】
図３（ｂ）に、放熱板１２０の外周縁付近の構成を示す。絶縁基板１２０ｂの外周縁Ｅｂは、金属層１２０ｃの外周縁Ｅｃよりも距離ｈだけ外側にある。これにより、樹脂封止工程において、封止樹脂４１０による封止対象領域のうち、外周縁Ｅｃの外側に近接する領域ｑが、絶縁基板１２０ｂと成形金型Ｇとに挟まれる。したがって、当該領域ｑへ樹脂を充填するには、成形金型Ｇに注入された樹脂が、絶縁基板１２０ｂの上記距離ｈに亘る部分を回り込む必要がある。これにより、領域ｑに注入樹脂が十分に充填されない虞がある。
【００１０】
領域ｑへの樹脂の充填が不十分であると、冷熱サイクル時に、領域ｑに面する絶縁基板１２０ｂの表面部分Ｒ上に大きな応力が発生する。この結果、封止樹脂４１０に剥がれおよび割れが発生しやすい。
【００１１】
本発明は、上記課題に鑑み、絶縁基板の両面に金属層が設けられた放熱板を備えながら、封止樹脂の十分な充填を達し得る半導体装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
第１の発明は、半導体装置であって、半導体素子と、前記半導体素子からの熱を放熱する放熱板と、前記半導体素子および前記放熱板の周囲を封止する封止樹脂とを備え、前記放熱板は、絶縁基板と、前記絶縁基板の前記半導体素子側の面上に積層された第１の金属層と、前記絶縁基板の前記半導体素子側と反対側の面上に積層された第２の金属層とを有し、前記第２の金属層の前記絶縁基板側と反対側の面は、前記封止樹脂の外側に露出しており、前記第２の金属層の外周縁の全体が前記絶縁基板の外周縁よりも外側にある。
【００１３】
第１の発明によれば、第２の金属層の外周縁の全体が絶縁基板の外周縁よりも外側にある。したがって、絶縁基板と成形金型との間に注入樹脂の回り込みを要する領域が形成されない。これにより、半導体装置は、封止樹脂の未充填箇所が発生しにくい構成となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、絶縁基板の両面に金属層が設けられた放熱板を備えながら、封止樹脂の十分な充填を達し得る半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体装置を示す図であって、（ａ）は半導体装置の構成を示す断面図、（ｂ）は放熱板の外周縁付近の構成を示す断面図
【図２】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図であって、（ａ）〜（ｃ）は各工程を説明する図
【図３】従来技術に係る半導体装置を示す図であって、（ａ）は半導体装置の構成を示す断面図、（ｂ）は封止樹脂の充填不良を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図１および図２を参照しながら、実施の形態について詳細に説明する。本実施形態に係る半導体装置においては、放熱板の封止樹脂外に露出した表面を有する金属層の外周縁の全体が、絶縁基板の外周縁よりも外側にある。これにより、封止樹脂の良好な充填が達成される。
【００１７】
[半導体装置の構成]
図１（ａ）に、本実施形態に係る半導体装置１の構成を示す。
【００１８】
半導体装置１は、半導体素子Ｄを備えている。半導体素子Ｄは、例えばチップ状のパワー半導体素子からなり、ここではＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であるとする。
【００１９】
半導体素子Ｄの一方面上に、半導体素子Ｄ側から順に、ヒートスプレッダ１１および放熱板１２が積層されている。半導体素子Ｄの他方面上に、半導体素子Ｄ側から順に、金属ブロック２０、ヒートスプレッダ２１、および、放熱板２２が積層されている。
【００２０】
半導体素子Ｄとヒートスプレッダ１１とは、はんだ層３１により接合されている。半導体素子Ｄと金属ブロック２０とは、はんだ層３２により接合されている。金属ブロック２０とヒートスプレッダ２１とは、はんだ層３３により接合されている。
【００２１】
金属ブロック２０は、半導体素子Ｄへのワイヤボンディングのスペースを確保するスペーサであり、例えば銅からなる。ヒートスプレッダ１１およびヒートスプレッダ２１は、半導体素子Ｄからの熱を拡散するバルク体であり、例えば銅からなる。
【００２２】
放熱板１２は、半導体素子Ｄ側から順に、金属層（第１の金属層）１２ａ、絶縁基板１２ｂ、および、金属層（第２の金属層）１２ｃが積層された構成を有する。放熱板２２は、半導体素子Ｄ側から順に、金属層（第１の金属層）２２ａ、絶縁基板２２ｂ、および、金属層（第２の金属層）２２ｃが積層された構成を有する。絶縁基板１２ｂおよび絶縁基板２２ｂは、例えばセラミックスからなる。金属層１２ａ、金属層１２ｃ、金属層２２ａ、および、金属層２２ｃは、例えばアルミニウムからなる。
【００２３】
また、ヒートスプレッダ１１は、放熱板１２の金属層１２ａと接合されている。ヒートスプレッダ２１は、放熱板２２の金属層２２ａと接合されている。
【００２４】
ヒートスプレッダ１１および放熱板１２はＩＧＢＴのコレクタ側の放熱経路を構成している。金属ブロック２０、ヒートスプレッダ２１、および、放熱板２２は、ＩＧＢＴのエミッタ側の放熱経路を構成している。
【００２５】
半導体素子Ｄと半導体素子Ｄの上下の積層物とからなる積層体の全体は、封止樹脂４１によって封止されている。金属層１２ｃおよび金属層２２ｃの、半導体素子Ｄ側とは反対側の面は、封止樹脂４１の外側に露出している。
【００２６】
次に、図１（ｂ）を用いて、放熱板１２および放熱板２２における各層が、どのような寸法の関係で外側への面拡がりを有しているかを説明する。ここでは、放熱板１２を例に取って当該関係を説明する。
【００２７】
図１（ｂ）に、図１（ａ）に示した放熱板１２の外周縁付近の部分を示す。半導体装置１を積層の上から見た平面視において、絶縁基板１２ｂおよび金属層１２ｃが互いに平行な辺を有する矩形状をなすとする。斯かる放熱板１２において、金属層１２ｃの外周縁Ｅｃの全体が、絶縁基板１２ｂの外周縁Ｅｂよりも外側にある。平面視において、外周縁Ｅｃが外周縁Ｅｂの位置から飛び出ている長さｆ（ｆ＞０）は任意でよく、金属層１２ｃの四方のそれぞれへの拡がりにおいて個別の値を取り得る。これにより、放熱板１２の外側周辺において、絶縁基板１２ｂと成形金型との間に従来発生していたような注入樹脂の回り込みを要する領域が、形成されなくなる。
【００２８】
また、ここでは、矩形をなす金属層１２ｃのいずれの辺側においても、絶縁基板１２ｂの厚みをｔとして、ｆ≦ｔの寸法設定がなされている。これにより、後述するように、放熱板１２と封止樹脂４１との大きな密着強度が確保される。
【００２９】
また、図１（ｂ）では、絶縁基板１２ｂの外周縁Ｅｂは、金属層１２ａの外周縁Ｅａよりも外側にある。外周縁Ｅｂと外周縁Ｅａとの位置関係は特に限定されず、平面視で互いに同じ位置にあってもよいし、外周縁Ｅａが外周縁Ｅｂより外側にあってもよい。外周縁Ｅｂが外周縁Ｅａよりも外側にある場合には、放熱板１２の表面において金属層１２ａから金属層１２ｃに至るまでの絶縁基板１２ｂ上の沿面距離が大きくなるので、絶縁基板１２ｂの絶縁性能が高まる。
【００３０】
放熱板２２についても放熱板１２と同様の寸法関係が適用される。すなわち、金属層１２ａと絶縁基板１２ｂとの寸法関係は金属層２２ａと絶縁基板２２ｂとの寸法関係に適用され、絶縁基板１２ｂと金属層１２ｃとの寸法関係は絶縁基板２２ｂと金属層２２ｃとの寸法関係に適用される。
【００３１】
[半導体装置の製造方法]
図２に半導体装置１の製造工程を示す。まず図２（ａ）に示すように、放熱板１２とヒートスプレッダ１１との接合体、はんだペレット３１Ａ、半導体素子Ｄ、はんだペレット３２Ａ、金属ブロック２０、および、はんだペレット３３Ａを順に積み重ねて、第１のリフロー工程を実施する。これにより、はんだペレット３１Ａ、はんだペレット３２Ａ、および、はんだペレット３３Ａは、一旦溶融した後、固化する。
【００３２】
次いで、図２（ｂ）に示すように、第１のリフロー工程で得られた積層体上に、さらに、ヒートスプレッダ２１と放熱板２２との接合体を積み重ねて、第２のリフロー工程を実施する。これにより、はんだペレット３１Ａ、はんだペレット３２Ａ、および、はんだペレット３３Ａは再度溶融して固化し、順に、はんだ層３１、はんだ層３２、および、はんだ層３３となる。
【００３３】
次いで、図２（ｃ）に示すように、第２のリフロー工程で得られた積層体を成形金型Ｇ内に設置し（成形金型Ｇを上下の一部分のみ図示してある）、トランスファーモールドなどの成形方法によって、成形金型Ｇ内に樹脂Ｔを注入して樹脂封止を行う。以上により、半導体装置１が完成する。
【００３４】
［実施の形態の効果等］
本実施形態の半導体装置１によれば、第２の金属層（金属層１２ｃ、金属層２２ｃ）の外周縁Ｅｃの全体が絶縁基板（絶縁基板１２ｂ、絶縁基板２２ｂ）の外周縁Ｅｂよりも外側にある。したがって、絶縁基板と成形金型Ｇとの間に注入樹脂の回り込みを要する領域が形成されない。これにより、半導体装置１は、封止樹脂４１の未充填箇所が発生しにくい構成となる。以上により、絶縁基板の両面に金属層が設けられた放熱板を備えながら、封止樹脂の十分な充填を達し得る半導体装置を提供することができる。
【００３５】
前述したように、図３の領域ｑに封止樹脂４１０の未充填箇所が形成されている場合には、冷熱サイクル時に、領域ｑに面する絶縁基板の表面部分Ｒ上に大きな応力が発生する。しかし、半導体装置１によれば、封止樹脂４１の未充填箇所が形成されにくいので、このような大きな応力が発生する箇所が形成されにくい。また、半導体装置１によれば、封止樹脂４１の充填が良好である結果、冷熱サイクル時に絶縁基板の外周縁付近に発生する応力値を抑制することができる。当該応力値は、例えば−４０℃といった極低温時で１０ＭＰａ程度といったように、従来から半減する程度にまで減少可能である。
【００３６】
また、図１（ｂ）に示したように、外周縁Ｅｃが飛び出ている長さｆを絶縁基板の厚みｔ以下に設定することにより、放熱板（放熱板１２、放熱板２２）と封止樹脂４１との大きな密着強度が確保される。例えば、ｆ＞ｔの場合には、−４０℃といった極低温時に放熱板と封止樹脂４１との間に発生する応力値が２０ＭＰａ以上となるのに対して、ｆ≦ｔの場合には、当該応力値が１０ＭＰａ〜１５ＭＰａ程度に収まる。応力値が小さい分だけ、封止樹脂４１が放熱板から剥がれにくくなる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、パワー半導体素子などの放熱構造を有する半導体素子を有する半導体装置などに適用可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１、１０１            半導体装置
２０、２００          金属ブロック
１１、２１、１１０、２１０      ヒートスプレッダ
１２、２２、１２０、２２０      放熱板
１２ａ、１２ｃ、２２ａ、２２ｃ、１２０ａ、１２０ｃ、２２０ａ、２２０ｃ    金属層
１２ｂ、２２ｂ、１２０ｂ、２２０ｂ      絶縁基板
３１、３２、３３、３１０、３２０、３３０      はんだ層
３１Ａ、３２Ａ、３３Ａ      はんだペレット
４１、４１０          封止樹脂
Ｄ                    半導体素子
Ｅａ、Ｅｂ、Ｅｃ      外周縁
ｆ                    長さ
ｈ                    距離
Ｇ                    成形金型
ｑ                    領域
Ｒ                    表面部分
ｔ                    厚み
【図１】
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【図２】
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【図３】
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