(57)【要約】【課題】コストを抑制しつつ、表面電極と保護膜と金属膜が互いに接する部分（三重点）の近傍における熱引きを向上させることができる技術を提供する。【解決手段】半導体装置１は、半導体素子２と、半導体素子２の表面を覆っている表面電極４と、表面電極４の表面の外周部４１を覆っている保護膜５と、保護膜５の表面と保護膜５に覆われていない表面電極４の表面とを覆っている金属膜６を備えている。また、半導体装置１は、金属膜６の表面にはんだ９１を介して固定されているヒートシンクブロック３と、ヒートシンクブロック３の表面にはんだ９２を介して固定されている表面側放熱板７１を備えている。ヒートシンクブロック３は、銅からなる第１の部分３１と、第１の部分３１の外周部３４を囲んでいる第２の部分３２を備えており、第２の部分３２の熱伝導率が第１の部分３１の熱伝導率より高い。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
前記半導体素子の表面を覆っている表面電極と、
前記表面電極の表面の外周部を覆っている保護膜と、
前記保護膜の表面と、前記保護膜に覆われていない前記表面電極の表面を覆っている金属膜と、
前記金属膜の表面にはんだを介して固定されているヒートシンクブロックと、
前記ヒートシンクブロックの表面にはんだを介して固定されている放熱板を備えており、
前記ヒートシンクブロックは、銅からなる第１の部分と、前記第１の部分の外周部を囲んでいる第２の部分を備えており、前記第２の部分の熱伝導率が前記第１の部分の熱伝導率より高い、半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示する技術は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に開示されている半導体装置は、半導体素子と、半導体素子の表面を覆っている表面電極と、表面電極の表面の外周部を覆っている保護膜と、保護膜の表面を覆っている金属膜を備えている。金属膜は、保護膜に覆われていない表面電極の表面も覆っている。この構成において、表面電極と保護膜と金属膜が互いに接している部分を三重点と称することとする。特許文献１の半導体装置では、半導体素子が通電によって発熱すると、その熱が表面電極と保護膜と金属膜に伝わる。そうすると、表面電極と保護膜と金属膜が熱膨張することによって、それぞれに熱応力が発生する。このような熱応力は、表面電極と保護膜と金属膜の熱膨張率の差に起因して発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２７２７１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の特許文献１の半導体装置では、表面電極と保護膜と金属膜に熱応力が発生するときに、三者が互いに接している部分（三重点）における熱応力が特に大きくなる。これを抑制するためには、三重点の近傍における熱を吸収することが望ましい。そこで、熱を吸収するために高熱伝導率の部材を三重点の近傍に配置することが考えられるが、高熱伝導率の部材は一般的に高価であるのでコストがかかるという問題がある。そこで本明細書は、コストを抑制しつつ、表面電極と保護膜と金属膜が互いに接する部分（三重点）の近傍における熱引きを向上させることができる技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書に開示する半導体装置は、半導体素子と、半導体素子の表面を覆っている表面電極と、表面電極の表面の外周部を覆っている保護膜と、保護膜の表面と、保護膜に覆われていない表面電極の表面を覆っている金属膜を備えている。また、半導体装置は、金属膜の表面にはんだを介して固定されているヒートシンクブロックと、ヒートシンクブロックの表面にはんだを介して固定されている放熱板を備えている。ヒートシンクブロックは、銅からなる第１の部分と、第１の部分の外周部を囲んでいる第２の部分を備えており、第２の部分の熱伝導率が第１の部分の熱伝導率より高い。
【０００６】
上記の構成では、半導体素子が通電によって発熱すると、その熱が表面電極と保護膜と金属膜に伝わる。そうすると、表面電極と保護膜と金属膜が熱膨張することによって、それぞれに熱応力が発生する。このとき、表面電極と保護膜と金属膜が互いに接している部分（「三重点」と称する）における熱応力が特に大きくなる傾向がある。三重点は表面電極の外周部の近傍に形成されている。半導体素子が発熱したときに、上記の半導体装置によれば、表面電極と保護膜と金属膜に伝わった熱がヒートシンクブロックに伝わり、それから放熱板に伝わる。半導体素子の熱がヒートシンクブロックと放熱板を介して外部に放熱される。ここで、ヒートシンクブロックは、銅からなる第１の部分と、第１の部分の外周部を囲んでいる第２の部分を備えており、第２の部分の熱伝導率が第１の部分の熱伝導率より高くなっている。そのため、第２の部分では第１の部分よりも熱が伝わりやすいので、ヒートシンクブロックの外周部では、表面電極と保護膜と金属膜に伝わった熱を放熱板に伝えやすくなっている。これによって、三重点の近傍における熱が外部に放熱されやすく、熱引きが向上する。また、上記の構成によれば、ヒートシンクブロックが銅からなる第１の部分と、それより熱伝導率が高い第２の部分を備えているので、ヒートシンクブロックの全てを熱伝導率が高い第２の部分の材料で形成するよりもコストを抑制することができる。よって、上記の半導体装置によれば、コストを抑制しつつ、表面電極と保護膜と金属膜が互いに接する部分（三重点）の近傍における熱引きを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施例に係る半導体装置の断面図である。
【図２】図１の要部IIの拡大図である。
【図３】半導体素子とヒートシンクブロックの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１及び図２に示すように、実施例に係る半導体装置１は、半導体素子２と、半導体素子２の表面を覆っている表面電極４と、表面電極４の表面を覆っている保護膜５と、表面電極４の表面と保護膜５の表面を覆っている金属膜６を備えている。また、半導体装置１は、金属膜６の表面にはんだ９１を介して固定されているヒートシンクブロック３と、ヒートシンクブロック３の表面にはんだ９２を介して固定されている表面側放熱板８１を備えている。また、半導体装置１は、半導体素子２の裏面を覆っている裏面電極７と、裏面電極７の裏面にはんだ９３を介して固定されている裏面側放熱板８２を備えている。表面側放熱板８１と裏面側放熱板８２の間において左右で同様の構成が形成されている。なお、図１及び図２の上側が表面側であり、下側が裏面側である。
【０００９】
半導体素子２は、板状に形成されている。半導体素子２の基板は、例えばシリコン（Ｓｉ）や炭化ケイ素（ＳｉＣ）等から形成されている。半導体素子２としては、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）を用いることができる。半導体素子２が例えばＩＧＢＴである場合、その基板には、エミッタ領域、コレクタ領域、ボディ領域、ドリフト領域、ゲート電極などが形成されている（図示省略）。半導体素子２は、動作時に発熱する。
【００１０】
表面電極４は、導電性を有している。表面電極４は、例えばアルミニウム（Ａｌ）から形成されている。図３に示すように、半導体素子２の表面に２個の表面電極４が隣り合って形成されている。各表面電極４は、半導体素子２の表面の中央部から外周部にわたって、半導体素子２の表面を覆っている。表面電極４は、半導体素子２に形成されているエミッタ領域と導通している。
【００１１】
図２に示すように、保護膜５は、表面電極４の一部を覆っている。保護膜５は、樹脂から形成されており、絶縁性を有している。保護膜５は、例えばポリイミドから形成されている。保護膜５は、表面電極４の表面の外周部４１を覆っている。表面電極４には保護膜５に覆われている部分と覆われていない部分が存在している。保護膜５の端部５１の位置では、表面電極４と保護膜５と金属膜６が互いに接触している。この部分を三重点１０１と称する。
【００１２】
金属膜６は、導電性を有している。金属膜６は、例えばニッケル（Ｎｉ）から形成されている。金属膜６は、保護膜５の表面を覆っている。金属膜６は、保護膜５の端部５１を覆っている。また、金属膜６は、保護膜５に覆われていない表面電極４の表面も覆っている。金属膜６は、保護膜５と表面電極４に接触している。
【００１３】
表面電極４の熱膨張率と保護膜５の熱膨張率と金属膜６の熱膨張率は、互いに異なっている。半導体素子２が発熱するとその熱が表面電極４と保護膜５と金属膜６に伝わり、三者が異なる熱膨張率で膨張する。
【００１４】
金属膜６の表面には、はんだ９１を介してヒートシンクブロック３が固定されている。はんだ９１としては、例えばＳｎ系はんだ、ＳｎＣｕ系はんだ、Ｚｎ系はんだ等を用いることができる。ヒートシンクブロック３は、板状に形成されている。ヒートシンクブロック３は、半導体素子２と表面側放熱板８１の間に配置されており、両者の間のスペーサーとしての機能を有している。ヒートシンクブロック３は、熱伝導性を有している。
【００１５】
図３に示すように、ヒートシンクブロック３は、第１の部分３１と第２の部分３２を備えている。第２の部分３２の熱伝導率は、第１の部分３１の熱伝導率より高い。第１の部分３１は、第２の部分３２より内側に配置されている。第２の部分３２は、第１の部分３１より外側に配置されている。第２の部分３２は、第１の部分３１の外周部３４を囲んでいる。図２に示すように、第１の部分３１の外周部３４が第２の部分３２と隣接している。ｚ方向（半導体素子２とヒートシンクブロック３の積層方向）において、第２の部分３２は、三重点１０１の上方に配置されている。ｚ方向において、第２の部分３２と三重点１０１が重なっている。ｘ方向（半導体素子２の表面に沿う方向）において、第１の部分３１と第２の部分３２の境界３３が、三重点１０１より内側に位置している。
【００１６】
第１の部分３１の材料と第２の部分３２の材料は異なっている。第１の部分３１は、銅（Ｃｕ）から形成されている。銅の熱伝導率は、約４０１Ｗ／ｍ・Ｋである。第２の部分３２は、銅の熱伝導率より高い熱伝導率を有する材料から形成されている。第２の部分３２の材料としては、例えば、銀（Ａｇ）、ダイヤモンド、グラファイト、グラファイト複合材料を用いることができる。グラファイト複合材料としては、例えばＳＴＣやコンポロイドを用いることができる。ＳＴＣとコンポロイドは、共にグラファイトと銅とアルミニウムの複合材料である。グラファイト複合材の熱伝導率は、約６００〜１７００Ｗ／ｍ・Ｋである。第１の部分３１の材料と第２の部分３２の材料の組み合わせと熱伝導率の一例を表１に示す。なお、表１におけるＳＴＣ（登録商標）は、株式会社守谷刃物研究所製のグラファイト複合材の商品名である。また、コンポロイドは、株式会社サーモグラフィティクス製のグラファイト複合材の商品名である。
【表１】
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【００１７】
図３に示すように、ヒートシンクブロック３は、ｚ方向（半導体素子２とヒートシンクブロック３の積層方向）において、表面電極４と重なる位置に配置されている。ｚ方向において、ヒートシンクブロック３の外周端３６と表面電極４の外周端４６が重なるように構成されている。なお、ヒートシンクブロック３の外周端３６と表面電極４の外周端４６は必ずしも重ならなくてもよい。半導体素子２では、ヒートシンクブロック３の外周端３６より内側の部分では動作時に発熱しやすい。外周端３６より外側の部分では保護膜５があるので熱がこもりやすく、熱が外部に逃げにくい。
【００１８】
図２に示すように、半導体素子２の裏面には、裏面電極７が形成されている。裏面電極７は、導電性を有している。裏面電極７は、例えばニッケル（Ｎｉ）から形成されている。裏面電極７は、半導体素子２に形成されているコレクタ領域と導通している。裏面電極７の裏面には、はんだ９３を介して裏面側放熱板８２が固定されている。
【００１９】
表面側放熱板８１および裏面側放熱板８２の材質としては、例えば銅（Ｃｕ）はアルミニウム（Ａｌ）を用いることができる。表面側放熱板８１および裏面側放熱板８２は、熱伝導性および導電性を有している。表面側放熱板８１および裏面側放熱板８２は、半導体素子２において生じた熱を放散する機能を有している。また、表面側放熱板８１および裏面側放熱板８２は、電極としての機能を有している。表面側放熱板８１と裏面側放熱板８２の間に封止樹脂９０が充填されている。
【００２０】
封止樹脂９０は、表面側放熱板８１と裏面側放熱板８２の間に配置されている上記の各構成（半導体素子２、表面電極４、保護膜５、金属膜６、ヒートシンクブロック３、はんだ９１、９２、９３）を封止している。封止樹脂９０は、表面側放熱板８１と裏面側放熱板８２の間の部材に密着している。封止樹脂９０の材料としては、エポキシ樹脂を用いることができる。その他に、封止樹脂９０は、硬化剤、応力緩和剤、硬化促進剤、フィラー等を含んでいてもよい。
【００２１】
上記の構成を備えている半導体装置１では、半導体素子２が通電によって発熱すると、その熱が表面電極４と保護膜５と金属膜６に伝わる。また、その熱が、表面側のはんだ９１とヒートシンクブロック３とはんだ９２を介して表面側放熱板８１に伝わる。また、半導体素子２の熱が裏面側のはんだ９３を介して裏面側放熱板８２に伝わる。表面側放熱板８１と裏面側放熱板８２に伝わった熱は外部に放熱される。この過程において、半導体素子２の熱が表面電極４と保護膜５と金属膜６に伝わると、その熱によって表面電極４と保護膜５と金属膜６が熱膨張する。そうすると、表面電極４と保護膜５と金属膜６に熱応力が発生する。この熱応力は、表面電極４と保護膜５と金属膜６が集まっている三重点１０１で特に大きくなる傾向がある。したがって、三重点１０１の近傍の熱の上昇を抑制することが好ましい。そのために、上記の半導体装置１では、金属膜６の表面にはんだ９１を介して固定されているヒートシンクブロック３を備えており、ヒートシンクブロック３が、銅からなる第１の部分３１と、第１の部分３１の外周部を囲んでいる第２の部分３２を備えており、第２の部分３２の熱伝導率が第１の部分３１の熱伝導率より高くなっている。このような構成によれば、ヒートシンクブロック３の第２の部分３２では第１の部分３１よりも熱が伝わりやすくなる。これによって、ヒートシンクブロック３の外周部では、表面電極４と保護膜５と金属膜６に伝わった半導体素子２の熱を表面側放熱板８１に伝えやすくなる。そのため、三重点１０１の近傍の熱が外部に放熱されやすく、熱引きが向上する。
【００２２】
また、上記の構成によれば、ヒートシンクブロック３が銅からなる第１の部分３１と、それより熱伝導率が高い第２の部分３２を備えているので、ヒートシンクブロック３の全てを熱伝導率が高い第２の部分３２の材料で形成するよりもコストを抑制することができる。よって、上記の半導体装置１によれば、コストを抑制しつつ、表面電極４と保護膜５と金属膜６が互いに接する部分（三重点１０１）の近傍における熱引きを向上させることができる。
【００２３】
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。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】
【００２４】
１      ：半導体装置
２      ：半導体素子
３      ：ヒートシンクブロック
４      ：表面電極
５      ：保護膜
６      ：金属膜
７      ：裏面電極
３１    ：第１の部分
３２    ：第２の部分
３３    ：境界
３４    ：外周部
３６    ：外周端
４１    ：外周部
４６    ：外周端
５１    ：端部
８１    ：表面側放熱板
８２    ：裏面側放熱板
９０    ：封止樹脂
９１    ：はんだ
９２    ：はんだ
９３    ：はんだ
１０１  ：三重点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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