JP2016207821A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】無酸素銅からなる金属部材が削られることを抑制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１０と、半導体素子１０の下表面１０２に固定されている無酸素銅からなる第１金属部材２１と、半導体素子１０に固定されている側とは反対側の第１金属部材２１の下表面２１２の一部を覆っている第１被覆部材５１と、第１金属部材２１に固定されている側とは反対側の第１被覆部材５１の下表面５１２と、第１被覆部材５１に覆われていない第１金属部材２１の下表面２１２とが露出するように半導体素子１０と第１金属部材２１を封止している封止樹脂３０と、封止樹脂３０から露出している第１被覆部材５１の下表面５１２と第１金属部材２１の下表面２１２にグリス６０を介して接続されている第１絶縁部材７１を備えている。第１被覆部材７１が、無酸素銅よりも線膨張係数が小さい材料から形成されている。
【選択図】図１

Description

本明細書に開示する技術は、半導体装置に関する。

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、半導体素子の表面に固定されている銅からなる金属部材と、半導体素子に固定されている側とは反対側の金属部材の表面が露出するように半導体素子を封止している封止樹脂と、封止樹脂から露出している金属部材の表面に接続されている冷却器を備えている。

特許第５３６５６２７号公報

上記のような半導体装置では、金属部材の熱伝導率を高めるために、金属部材を無酸素銅から形成することが考えられる。この無酸素銅は、やわらかくて削れやすいという性質を有している。また、上記のような半導体装置では、封止樹脂から露出している金属部材の表面にフィラーを含むグリスを塗布することによって、金属部材の表面がグリスを介して冷却器に接続される構成にすることが考えられる。

このような半導体装置では、半導体装置が動作することによって半導体素子が発熱すると、その熱によって金属部材が膨張し、金属部材が反ってしまうことがある。金属部材が半導体素子に固定されており、固定されている側が拘束されているので、金属部材が膨張したときに冷却器に向かって凸になるように反る。金属部材が反ると、封止樹脂から露出している金属部材の表面が、金属部材と冷却器の間にあるグリスに押し付けられる。そうすると、グリスに含まれているフィラーによって無酸素銅からなる金属部材が削られることがある。金属部材が削られると、金属部材と冷却器の間に隙間が形成され、その隙間に空気が入ることによって、金属部材と冷却器の間で熱が伝わり難くなる。その結果、冷却能力が低下してしまうことがある。

そこで本明細書は、無酸素銅からなる金属部材が削られることを抑制できる技術を提供する。

本明細書に開示する半導体装置は、半導体素子と、半導体素子の表面に固定されている無酸素銅からなる金属部材と、半導体素子に固定されている側とは反対側の金属部材の表面の一部を覆っている被覆部材と、金属部材に固定されている側とは反対側の被覆部材の表面と、被覆部材に覆われていない金属部材の表面とが露出するように半導体素子と金属部材を封止している封止樹脂と、封止樹脂から露出している被覆部材の表面と金属部材の表面にグリスを介して接続されている絶縁部材を備えている。この半導体装置では、被覆部材が、無酸素銅よりも線膨張係数が小さい材料から形成されている。

このような半導体装置では、半導体装置が動作することによって半導体素子が発熱すると、その熱によって無酸素銅からなる金属部材が膨張し、金属部材が反ることがある。金属部材が半導体素子に固定されており、固定されている側が拘束されているので、金属部材が膨張したときに絶縁部材に向かって凸になるように反ってしまう。このとき、上記の構成によれば、半導体素子に固定されている側とは反対側の金属部材の表面の一部が被覆部材によって覆われており、被覆部材が無酸素銅よりも線膨張係数が小さい材料から形成されているので、金属部材が膨張しても被覆部材の存在によって金属部材の表面が拘束され、金属部材の反りが抑制される。その結果、金属部材が反ることによって金属部材がグリスに押し付けられたとしても、反りが抑制されているのでグリスに対する押圧力が弱くなる。これによって、無酸素銅からなる金属部材がグリスに含まれているフィラーによって削られることを抑制できる。金属部材が削られやすい無酸素銅から形成されているが、被覆部材の存在によって金属部材の反りが抑制されるので、無酸素銅からなる金属部材が削られることを抑制できる。

実施例に係る半導体装置の断面図である。

図１に示すように、実施例に係る半導体装置１は、半導体素子１０と、半導体素子１０に接合材４０を介して接合された第１金属部材２１と、第１金属部材２１に固定された第１被覆部材５１を備えている。また、半導体装置１は、半導体素子１０に接合材４０を介して接合されたスペーサ２３と、スペーサ２３に接合材４０を介して接合された第２金属部材２２と、第２金属部材２２に固定された第２被覆部材５２を備えている。また、半導体装置１は、全体を封止する封止樹脂３０を備えている。

半導体素子１０は、板状に形成されている。半導体素子１０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１０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１０がＩＧＢＴである場合、半導体基板には、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１０がＭＯＳＦＥＴである場合、半導体基板には、ソース領域、ドレイン領域、ベース領域、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１０は、動作時に発熱する。

半導体素子１０は、第１金属部材２１とスペーサ２３の間に配置されている。半導体素子１０の下表面１０２が、接合材４０を介して第１金属部材２１に固定されている。半導体素子１０の上表面１０１が、接合材４０を介してスペーサ２３に固定されている。半導体素子１０は、接合材４０とスペーサ２３を介して第２金属部材２２に固定されている。

第１金属部材２１は、熱伝導性および導電性を有する金属から形成されている。第１金属部材２１は、無酸素銅（ＯＦＣ：Oxygen Free Copper）から形成されている。無酸素銅とは、酸化物をほとんど含まない純度９９．９５％以上の高純度銅のことをいう。無酸素銅は、やわらかくて削れやすい性質を有している。無酸素銅の線膨張係数は、約１７×１０^‐６／Ｋである。

第１金属部材２１は、板状に形成されている。第１金属部材２１は、外部の端子に電気的に接続されている。第１金属部材２１は、半導体素子１０の下表面側に配置されている。第１金属部材２１は、半導体素子１０で発生した熱を外部に放散する。第１金属部材２１と半導体素子１０の間に接合材４０が充填されている。接合材４０は、第１金属部材２１と半導体素子１０に密着している。第１金属部材２１の上表面２１１が、接合材４０を介して半導体素子１０の下表面１０２に固定されている。第１金属部材２１の下表面２１２が、第１被覆部材５１に固定されている。第１金属部材２１の下表面２１２は、半導体素子１０に固定されている側とは反対側に位置している。第１金属部材２１の下表面２１２に第１凹部２５が形成されている。第１凹部２５に第１被覆部材５１が配置されている。

第１被覆部材５１は、熱伝導性および導電性を有する金属から形成されている。第１被覆部材５１は、無酸素銅よりも線膨張係数が小さい材料から形成されている。第１被覆部材５１の線膨張係数は、第１金属部材２１の線膨張係数より小さい。第１被覆部材５１は、例えばモリブデン（Ｍｏ）やタングステン（Ｗ）等から形成されている。モリブデンの線膨張係数は、約４．９×１０^‐６／Ｋである。タングステンの線膨張係数は、約４．３×１０^‐６／Ｋである。第１被覆部材５１は、めっき処理されていてもよい。例えば、第１被覆部材５１の表面が、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、スズ（Ｓｎ）等によってめっき処理されていてもよい。

第１被覆部材５１は、板状に形成されている。第１被覆部材５１は、第１金属部材２１の下表面２１２の一部に配置されている。第１被覆部材５１は、第１金属部材２１の下表面２１２の一部を覆っている。第１被覆部材５１は、ろう付けによって第１金属部材２１に接合されている。第１被覆部材５１は、第１金属部材２１に密着した状態で加圧されることによって、第１金属部材２１に固定される。第１被覆部材５１は、半導体素子１０で発生して第１金属部材２１に伝わった熱を外部に放散する。第１被覆部材５１の下表面５１２（第１金属部材２１に固定されている側とは反対側の面）は、封止樹脂３０から露出している。また、第１被覆部材５１によって覆われていない第１金属部材２１の下表面２１２が封止樹脂３０から露出している。第１被覆部材５１の下表面５１２と第１金属部材２１の下表面２１２の一部が封止樹脂３０から露出している。よって、封止樹脂３０から露出している露出面が、無酸素銅からなる第１金属部材２１の領域と、無酸素銅よりも線膨張係数が小さい材料からなる第１被覆部材５１の領域を有している。第１被覆部材５１の下表面５１２と第１金属部材２１の下表面２１２の露出している部分にグリス６０が塗布されている。封止樹脂３０から露出している第１被覆部材５１の下表面５１２と第１金属部材２１の下表面２１２に対向するように、第１絶縁部材７１が配置されている。

第１絶縁部材７１は、絶縁性を有する材料から形成されている。第１絶縁部材７１は、例えば、セラミックスから形成されている。第１絶縁部材７１は、板状に形成されている。第１絶縁部材７１は、第１被覆部材５１の下表面側に配置されている。第１絶縁部材７１は、グリス６０を介して第１被覆部材５１の下表面５１２と第１金属部材２１の下表面２１２に接続されている。第１絶縁部材７１と第１被覆部材５１の間にグリス６０が充填されている。グリス６０は、第１絶縁部材７１と第１被覆部材５１に密着している。また、第１絶縁部材７１の下表面７１２にグリス６０が塗布されている。第１絶縁部材７１の下表面７１２に対向するように、第１冷却器９１が配置されている。

第１冷却器９１は、第１絶縁部材７１の下表面側に配置されている。第１冷却器９１は、グリス６０を介して第１絶縁部材７１の下表面７１２に接続されている。第１冷却器９１と第１絶縁部材７１の間にグリス６０が充填されている。グリス６０は、第１冷却器９１と第１絶縁部材７１に密着している。第１冷却器９１は、第１絶縁部材７１、第１被覆部材５１、および、第１金属部材２１を介して半導体素子１０を冷却する。第１冷却器９１としては、公知の構成を用いることができる。第１冷却器９１は、例えば水冷式の冷却器である。

スペーサ２３は、半導体素子１０の上表面側に配置されている。スペーサ２３は、熱伝導性および導電性を有する金属から形成されている。スペーサ２３は、例えば銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等から形成されている。スペーサ２３は、板状に形成されている。スペーサ２３は、半導体素子１０と第２金属部材２２の間に配置されている。スペーサ２３と半導体素子１０の間に接合材４０が充填されている。接合材４０は、スペーサ２３と半導体素子１０に密着している。スペーサ２３の下表面２３２が、接合材４０を介して半導体素子１０に固定されている。スペーサ２３の上表面２３１が、接合材４０を介して第２金属部材２２に固定されている。

第２金属部材２２は、熱伝導性および導電性を有する金属から形成されている。第２金属部材２２は、無酸素銅（ＯＦＣ：Oxygen Free Copper）から形成されている。無酸素銅とは、酸化物を含まない純度９９．９５％以上の高純度銅のことをいう。無酸素銅は、やわらかくて削れやすい性質を有している。無酸素銅の線膨張係数は、約１７×１０^‐６／Ｋである。

第２金属部材２２は、板状に形成されている。第２金属部材２２は、外部の端子に電気的に接続されている。第２金属部材２２は、スペーサ２３の上表面側に配置されている。第２金属部材２２とスペーサ２３の間に接合材４０が充填されている。接合材４０は、第２金属部材２２とスペーサ２３に密着している。第２金属部材２２の下表面２２２が、接合材４０を介してスペーサ２３に固定されている。第２金属部材２２は、スペーサ２３と接合材４０を介して半導体素子１０の上表面１０１に固定されている。第２金属部材２２は、半導体素子１０で発生した熱を外部に放散する。第２金属部材２２の上表面２２１が、第２被覆部材５２に固定されている。第２金属部材２２の上表面２２１は、半導体素子１０に固定されている側とは反対側に位置している。第２金属部材２２の上表面２２１に第２凹部２６が形成されている。第２凹部２６に第２被覆部材５２が配置されている。

第２被覆部材５２は、熱伝導性および導電性を有する金属から形成されている。第２被覆部材５２は、無酸素銅よりも線膨張係数が小さい材料から形成されている。第２被覆部材５２の線膨張係数は、第２金属部材２２の線膨張係数より小さい。第２被覆部材５２は、例えばモリブデン（Ｍｏ）やタングステン（Ｗ）等から形成されている。モリブデンの線膨張係数は、約４．９×１０^‐６／Ｋである。タングステンの線膨張係数は、約４．３×１０^‐６／Ｋである。第２被覆部材５２は、めっき処理されていてもよい。例えば、第２被覆部材５２の表面がニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、スズ（Ｓｎ）等によってめっき処理されていてもよい。

第２被覆部材５２は、板状に形成されている。第２被覆部材５２は、第２金属部材２２の上表面２２１の一部に配置されている。第２被覆部材５２は、第２金属部材２２の下表面２２２の全体を覆っている。第２被覆部材５２は、ろう付けによって第２金属部材２２に接合されている。第２被覆部材５２は、第２金属部材２２に密着した状態で加圧されることによって、第２金属部材２２に固定される。第２被覆部材５２は、半導体素子１０で発生して第２金属部材２２に伝わった熱を外部に放散する。第２被覆部材５２の上表面５２１（第２金属部材２２に固定されている側とは反対側の面）は、封止樹脂３０から露出している。また、第２被覆部材５２によって覆われていない第２金属部材２２の上表面２２１が封止樹脂３０から露出している。第２被覆部材５２の上表面５２１と第２金属部材２２の上表面２２１の一部が封止樹脂３０から露出している。よって、封止樹脂３０から露出している露出面が、無酸素銅からなる第２金属部材２２の領域と、無酸素銅よりも線膨張係数が小さい材料からなる第２被覆部材５２の領域を有している。第２被覆部材５２の上表面５２１と第２金属部材２２の上表面２２１の露出している部分にグリス６０が塗布されている。封止樹脂３０から露出している第２被覆部材５２の上表面５２１と第２金属部材２２の上表面２２１に対向するように、第２絶縁部材７２が配置されている。

第２絶縁部材７２は、絶縁性を有する材料から形成されている。第２絶縁部材７２は、例えば、セラミックスから形成されている。第２絶縁部材７２は、板状に形成されている。第２絶縁部材７２は、第２金属部材２２の上表面側に配置されている。第２絶縁部材７２は、グリス６０を介して第２被覆部材５２の上表面５２１と第２金属部材２２の上表面２２１に接続されている。第２絶縁部材７２と第２被覆部材５２の間にグリス６０が充填されている。グリス６０は、第２絶縁部材７２と第２被覆部材５２に密着している。第２絶縁部材７２の上表面７２１にグリス６０が塗布されている。第２絶縁部材７２の上表面７２１に対向するように、第２冷却器９２が配置されている。

第２冷却器９２は、第２絶縁部材７２の上表面側に配置されている。第２冷却器９２は、グリス６０を介して第２絶縁部材７２の上表面７２１に接続されている。第２冷却器９２と第２絶縁部材７２の間にグリス６０が充填されている。グリス６０は、第２冷却器９２と第２絶縁部材７２に密着している。第２冷却器９２は、第２絶縁部材７２、第２被覆部材５２、第２金属部材２２、および、スペーサ２３を介して半導体素子１０を冷却する。第２冷却器９２としては、公知の構成を用いることができる。第２冷却器９２は、例えば水冷式の冷却器である。

封止樹脂３０の材料としては、エポキシ樹脂を主成分として用いることができる。その他に、封止樹脂３０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。封止樹脂３０は、第１金属部材２１と第２金属部材２２の間に充填されている。封止樹脂３０は、第１被覆部材５１、第１金属部材２１、半導体素子１０、スペーサ２３、第２金属部材２２、第２被覆部材５２、および接合材４０を封止している。封止樹脂３０は、各部材に密着している。封止樹脂３０は、第１被覆部材５１の下表面５１２を覆っていない。封止樹脂３０は、第２被覆部材５２の上表面５２１を覆っていない。封止樹脂３０は、第２金属部材２２の上表面２２１の一部を覆っていない。封止樹脂３０は、第２金属部材２２の上表面２２１のうち第２被覆部材５２によって覆われていない部分を覆っていない。封止樹脂３０は、第１金属部材２１の下表面２１２の一部を覆っていない。封止樹脂３０は、第１金属部材２１の下表面２１２のうち第１被覆部材５１によって覆われていない部分を覆っていない。

上記の各グリス６０は、シリコーンオイルを基油として添加剤を含んでいる。グリス６０としては、公知の放熱グリスを用いることができる。また、グリス６０は、フィラーを含んでいる。フィラーとしては、例えば、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）の金属粒子を用いることができる。

上記の各接合材４０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。

上記の構成を備える半導体装置１では、半導体装置１が動作すると半導体素子１０が発熱する。半導体素子１０が発熱すると、その熱によって第１金属部材２１が膨張し、第１金属部材２１が反ることがある。第１金属部材２１が半導体素子１０に固定されており、固定されている側が拘束されているので、第１金属部材２１が膨張したときに第１絶縁部材７１に向かって凸になるように反る。このとき、半導体素子１０に固定されている側とは反対側の第１金属部材２１の下表面２１２の一部が第１被覆部材５１によって覆われており、第１被覆部材５１が無酸素銅よりも線膨張係数が小さい材料から形成されているので、第１金属部材２１の下表面２１２が第１被覆部材５１によって拘束され、第１金属部材２１の反りが抑制される。その結果、第１金属部材２１が反ることによって第１金属部材２１がグリス６０に押し付けられたとしても、第１金属部材２１の反りが抑制されているのでグリス６０に対する押圧力を弱くすることができる。これによって、無酸素銅からなる第１金属部材２１がグリス６０に含まれているフィラーによって削られることを抑制できる。第１金属部材２１がやわらかくて削られやすい無酸素銅から形成されているので、第１金属部材２１が反ることによってグリス６０に強く押し付けられると、グリス６０に含まれているフィラーによって第１金属部材２１が削られてしまう。しかしながら、この半導体装置では、第１被覆部材５１の存在によって第１金属部材２１の反りが抑制されるので、第１金属部材２１が削られることを抑制できる。

同様に、第２金属部材２２よりも線膨張係数が小さい第２被覆部材５２の存在によって第２金属部材２２の反りが抑制されるので、第２金属部材２２が反ったときにグリス６０に対する押圧力を弱くすることができる。これによって、無酸素銅からなる第２金属部材２２がグリス６０に含まれているフィラーによって削られることを抑制できる。

以上、一実施形態について説明したが、具体的な態様は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記の実施例では、第１被覆部材５１と第２被覆部材５２が金属から形成されていたが、この構成に限定されるものではない。他の実施例では、第１被覆部材５１と第２被覆部材５２が樹脂から形成されていてもよい。樹脂の線膨張係数は、無酸素銅の線膨張係数よりも小さい。樹脂は、例えばエポキシ樹脂を主成分として、硬化剤、応力緩和剤、硬化促進剤、フィラー等を含んでいる。

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。

１ ：半導体装置
１０ ：半導体素子
２１ ：第１金属部材
２２ ：第２金属部材
２３ ：スペーサ
２５ ：第１凹部
２６ ：第２凹部
３０ ：封止樹脂
４０ ：接合材
５１ ：第１被覆部材
５２ ：第２被覆部材
６０ ：グリス
７１ ：第１絶縁部材
７２ ：第２絶縁部材
９１ ：第１冷却器
９２ ：第２冷却器

Claims (1)

1. 半導体素子と、
   前記半導体素子の表面に固定されている無酸素銅からなる金属部材と、
   前記半導体素子に固定されている側とは反対側の前記金属部材の表面の一部を覆っている被覆部材と、
   前記金属部材に固定されている側とは反対側の前記被覆部材の表面と、前記被覆部材に覆われていない前記金属部材の前記表面とが露出するように前記半導体素子と前記金属部材を封止している封止樹脂と、
   前記封止樹脂から露出している前記被覆部材の前記表面と前記金属部材の前記表面にグリスを介して接続されている絶縁部材を備えており、
   前記被覆部材が、前記無酸素銅よりも線膨張係数が小さい材料から形成されている半導体装置。
   

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