JP2018032830A

JP2018032830A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2018032830A
Application number: JP2016166213A
Authority: JP
Inventors: 林太郎淺井; Rintaro Asai
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-08-26
Filing date: 2016-08-26
Publication date: 2018-03-01

Abstract

【課題】金属板に接合層を介して半導体素子を接合した半導体装置において、最適形状である接合層を有する半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置は、金属板に接合層を介して半導体素子を接合している。接合層は、接合層の外周面を規定する外側接合層と、外側接合層の内側を充填する内側接合層を備えている。外側接合層は、内側接合層よりも熱伝導率と熱膨張率が低い。外側接合層の内面と外面は、金属板に近づくにつれて、外側接合層の外側に向けて傾斜している。【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、金属板に第１接合層を介して半導体素子を接合した半導体装置が開示されている。第１接合層と半導体素子の側壁部には、フィレット層が設けられている。第１接合層とフィレット層は、同一の金属で形成されており、金属粒子からなるペースト材料（溶剤）を焼結することで形成される。

特開２０１４−１２０６３９号公報

特許文献１の半導体装置が動作すると、半導体素子が発生する熱により、第１接合層とフィレット層に熱応力が発生する。このような場合において、例えば、フィレット層が形成されていない場合、第１接合層に熱応力が集中して、第１接合層にクラックが発生する可能性がある。特許文献１の半導体装置では、フィレット層により、第１接合層に発生する熱応力が緩和されるため、第１接合層にクラックが生じることを抑制することができる。従って、特許文献１の半導体装置では、最適形状のフィレット層が形成されていることが重要である。

特許文献１のフィレット層の製造方法について簡単に説明する。まず、金属粒子を含むペースト材料を金属板の表面に塗布し、ペースト層を形成する（塗布工程）。次いで、ペースト層上に半導体素子を載置し、加圧及び加熱する（加圧及び加熱工程）。加圧することで半導体素子がペースト層に押し込まれ、ペースト層を形成するペースト材料の表面張力により、フィレット層が形成される。そして、加熱により、ペースト材料が硬化して、第１接合層とフィレット層が形成される。

上述の製造方法では、加熱時の圧力を精密に制御する必要があり、フィレット層の形状を安定的に最適形状とするのが困難である。最適形状のフィレット形状を形成することができないと、第１接合層に発生する熱応力を緩和することができない。また、例えば、加熱時の圧力が高く、ペースト層が半導体素子の側面を超えて半導体素子の上面にまで這い上がってしまう可能性もある。この場合、半導体素子の上下面がショートして、半導体素子を適切に動作させることができない。

本明細書では、金属板に接合層を介して半導体素子を接合した半導体装置を開示する。その接合層は、接合層の外周面を規定する外側接合層と、外側接合層の内側を充填する内側接合層とで構成する。外側接合層は、内側接合層よりも熱伝導率と線膨張率が低い関係とする。また、外側接合層の内面と外面は、金属板に近づくにつれて、外側接合層の外側に向けて傾斜する関係とする。

上記の半導体装置の製造方法について簡単に説明する。まず、金属板上に、接合層の外周面を規定する外側接合層を形成する。次いで、外側接合層内に、内側接合層となる金属材料を充填する。次いで、接合層上に半導体素子を載置して、加熱する。加熱により、外側接合層内に充填されている金属材料が硬化し、内側接合層が形成される。また、接合層を介して、金属板に半導体素子が接合される。これにより、金属板に接合層を介して半導体素子を接合した半導体装置が完成する。上記の構成によると、内側接合層と別に、外側接合層を形成する。外側接合層を最適な形状に形成することができる。従って、接合層を介して半導体素子を金属板に接合した半導体装置であり、外側接合層が最適な形状である半導体装置が提供される。また、半導体素子を接合層に押し込む（加圧する）必要が無いため、内側接合層となる金属材料が、半導体素子の上面に這い上がることがない。従って、半導体素子がショートすることを防止することができる。

半導体装置が動作すると、半導体素子が発熱する。半導体素子が発生した熱は、接合層から金属板に伝熱する。半導体素子の接合面の温度分布を観測すると、一般的に、外周領域では低く、内側領域では高い。本半導体装置では、加熱されやすい内側領域を接合する内側接合層の熱伝導率が高いことから、加熱されやすい内側領域から効率的に伝熱することができる。外側接合層の熱伝導率は低いが、外側接合層に接する部分では半導体素子が過熱しづらいことから、外側接合層の熱伝導率が低いことは問題とならない。一般的に、接合層に生じる熱応力は、接合層の内側領域では低く、外側領域で大きな応力に発達する。本半導体装置では、大きな熱応力が発達しやすい外側接合層の線膨張率が低いことから、大きな熱応力に発達するのを抑制する。内側接合層の線膨張率は高いが、内側接合層では大きな熱応力が発達しづらいことから、内側接合層の線膨張率が高いことは問題とならない。内側接合層と外側接合層の材質を変えることで、適材適所な材料選択が可能となる。また、外側接合層の内面と外面は、金属板に近づくにつれて、外周側に向けて傾斜している。半導体素子から金属板に向かう伝熱経路は、金属板に近づくにつれて外側接合層の外側に向けて傾斜する関係となっている。すなわち、伝熱経路に沿って、内側接合層と外側接合層の境界が延びている。この結果、熱伝導率が高い内側接合層を活用して、半導体装置の放熱性をより高めることができる。

半導体装置２の断面図である。半導体装置の製造工程を示す図である（１）。半導体装置の製造工程を示す図である（２）。変形例１に係る半導体装置の上面図である。変形例２に係るリードフレームの上面図である。変形例２に係る半導体装置の断面図である。参考例１に係る半導体装置の断面図である。参考例２に係る半導体装置の断面図である。参考例３に係る半導体装置の断面図である。参考例４に係る半導体装置の断面図である。

図１を用いて、本実施例に係る半導体装置２について説明する。半導体装置２は、パッケージタイプの半導体装置の一部を示している。半導体装置２は、リードフレーム１０と、接合層１６を介してリードフレーム１０に接合されている半導体素子１８と、を備えている。リードフレーム１０は、金属からなっており、平板状に形成されている。

接合層１６は、リードフレーム１０上に設けられている。接合層１６は、外側接合層１２と、内側接合層１４と、で構成されている。外側接合層１２は、Ｎｉ（ニッケル）からなっており、内側接合層１４は、Ａｇ（銀）からなっている。外側接合層１２の外周面１２ａは、接合層１６の外周面を規定する。外側接合層１２の外周面１２ａと内周面１２ｂは平行である。外周面１２ａと内周面１２ｂは、Ｘ軸（水平方向）に対して、角度αだけ傾斜している。本実施例において、角度αは、４５°に設定されている。すなわち、外周面１２ａと内周面１２ｂは、リードフレーム１０に近づくにつれて、接合層１６の外周側に向けて傾斜している。内周面１２ｂの延長線Ｌは、半導体素子１８の上面において、半導体素子１８のアクティブ領域１００と非アクティブ領域１１０の境界１２０を通過する。なお、内周面１２ｂの角度αは、４５°以下であることが好ましい。

半導体素子１８は、アクティブ領域１００と、アクティブ領域１００を取り囲む非アクティブ領域１１０に区画されている。アクティブ領域１００には、ダイオード、ＩＧＢＴなどの半導体デバイス（図示省略）が形成されている。

次いで、半導体装置２の作用効果について説明する。半導体素子１８が動作すると、半導体素子１８のアクティブ領域１００内の発熱領域１００ａが主に発熱する。発熱領域１００ａから発生される熱は、Ｚ軸（垂直方向）に対して４５°以内の方向に伝熱する傾向にある。上述のように、外側接合層１２の内周面１２ｂの延長線Ｌは、Ｘ軸に対して４５°傾斜している。従って、発熱領域１００ａから発生される熱は、延長線Ｌよりも内側の領域に伝熱される。すなわち、発熱領域１００ａから発生される熱は、内側接合層１４に伝熱される。Ａｇからなる内側接合層１４の熱伝導率は、Ｎｉからなる外側接合層１２の熱伝導率よりも高い。このため、半導体素子１８から発生される熱の伝熱経路に、Ｎｉからなる層が形成されている場合と比較して、半導体素子１８から発生される熱が伝熱されやすい。従って、半導体素子１８の放熱性を向上させることができる。これにより、半導体素子１８が動作中の温度上昇を抑制することができる。

また、半導体素子１８の線膨張率とリードフレーム１０の熱膨張率の差によって、接合層１６に熱応力が発生する。熱応力は、外側接合層１２に集中する。外側接合層１２に発生する熱応力が大きいと、外側接合層１２とリードフレーム１０が剥離する、又は、外側接合層１２にクラックが発生する可能性がある。本実施例の半導体装置２において、Ｎｉからなる外側接合層１２の線膨張率は、Ａｇからなる内側接合層１４の線膨張率よりも低い。このため、外側接合層１２がＡｇからなっている場合と比較して、外側接合層１２に発生する熱応力を低減することができる。また、外側接合層１２は、半導体素子１８からリードフレーム１０に近づくにつれて、外側接合層１２の外側に広がっている。このため、外側接合層１２に発生する熱応力を分散させることができる。この結果、外側接合層１２とリードフレーム１０が剥離、又は、外側接合層１２にクラックが発生することを抑制することができる。この結果、接合層１６によるリードフレーム１０と半導体素子１８の接合の信頼性を高めることができる。

次に、図２、図３を用いて、半導体装置２の製造方法について説明する。なお、図２の前に、リードフレーム１０は、プレス加工によって形成されている。

まず、図２に示すように、外側接合層形成工程を行う。外側接合層形成工程では、リードフレーム１０上に、Ｎｉからなる外側接合層１２を最適な形状に形成する。具体的には、打ち抜き加工、３Ｄプリンタなどで最適な形状となる外側接合層１２を形成した後に、形成した外側接合層１２をリードフレーム１０上に溶着する。これにより、リードフレーム１０上に外側接合層１２が形成される。また、変形例として、Ｎｉを含むペースト剤を用いて、外側接合層１２となる形状をリードフレーム１０上に形成し、その後に、リードフレーム１０上のＮｉからなるペースト剤を焼結することで、外側接合層１２を形成してもよい。

次に、図３に示すように、充填及び載置工程を行う。まず、充填工程では、Ａｇペーストを含む溶剤を外側接合層１２内に充填させる。また、外側接合層１２の上面にも、溶剤を塗布する。これにより、Ａｇペーストからなるペースト層１１４が形成される。

次いで、載置工程では、ペースト層１１４上に、半導体素子１８を載置する。なお、半導体素子１８の外周と外側接合層１２の上面の外周が一致するように、半導体素子１８を接合層１６上に位置合わせする。これにより、外側接合層１２の内周面１２ｂの延長線Ｌが、半導体素子１８のアクティブ領域１００と非アクティブ領域１１０の境界１２０を通過するようになる（図１参照）。

次いで、加熱（焼結）工程を行う。加熱工程は、図３の状態を維持した状態で実行される。加熱工程により、ペースト層１１４が硬化して、内側接合層１４が形成されるとともに、半導体素子１８が、リードフレーム１０に接合される。これにより、図１に示す半導体装置２が完成する。

上述のように、外側接合層１２は、加熱工程よりも前の外側接合層形成工程において形成されており、加熱工程においては、内側接合層１４が形成されるだけである。従って、最適な形状となる外側接合層１２を容易に形成することができる。また、外側接合層１２を形成するために、半導体素子をペースト層１１４に押し込む必要がない。このため、内側接合層１４となるペースト層１１４が、半導体素子１８の上面に這い上がることがない。従って、完成後の半導体装置２において、半導体素子１８がショートしない。

また、外側接合層１２の内周面１２ｂは、Ｘ軸（水平方向）に対して４５°傾斜しており、内周面１２ｂの延長線Ｌは、半導体素子１８のアクティブ領域１００と非アクティブ領域１１０の境界１２０を通過する。これにより、半導体素子１８（詳細には、発熱領域１００ａ）から発生される熱は、内側接合層１４に伝熱される。内側接合層１４の熱伝導率は、外側接合層１２の熱伝導率よりも高い。従って、内側接合層１４を、熱伝導率の低い外側接合層１２と同一の金属で形成する場合と比較して、放熱性を高めることができる。また、接合層１６に発生する熱応力は、外側接合層１２に集中する。上述のように、外側接合層１２の線膨張率は、内側接合層１４の線膨張率よりも高い。このため、外側接合層１２を、線膨張率の高い内側接合層１４と同一の金属で形成する場合と比較して、外側接合層１２に発生する熱応力を緩和することができる。従って、内側接合層１４を、外側接合層１２の熱伝導率及び線膨張率よりも高い金属で形成することで、放熱性の向上と、熱応力に対する耐性の向上と、を両立することができる。

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。

（変形例１）図４に示すように、外側接合層２１２が、外側接合層２１２の内側から外側を貫通する複数のスリット２２０を有してもよい。なお、図４においては、見易くするために、内側接合層１４と半導体素子１８を省略している。複数のスリット２２０は、Ａｇペーストからなる溶剤が揮発したガスは通過するが、溶剤であるＡｇペーストの金属粒子が通過することができない大きさである。半導体装置の加熱工程において、外側接合層２１２内に充填されるペースト層１１４の一部は揮発する。揮発した溶剤が外側接合層２１２内に残留すると、内側接合層１４内に空孔が形成される。内側接合層１４内に空孔が形成されると、半導体素子１８の放熱性が低下する。上記の構成によると、加熱工程中に揮発した溶剤は、複数のスリット２２０を通過して、外側接合層２１２の外部に排出される。このため、加熱後の内側接合層１４内に空孔が形成されることを抑制することができる。この結果、半導体素子１８の放熱性が低下することを抑制することができる。

（変形例２）変形例１では、外側接合層２１２が、外側接合層２１２の内側から外側を貫通する複数のスリット２２０を有している。これに代えて、図５に示すように、リードフレーム３１０が複数のスリット３２０を有してもよい。図６に示すように、スリット３２０の外周面３２０ａと内周面３２０ｂとの間の長さＤ１は、外側接合層１２の外周面１２ａと内周面１２ｂとの間の長さＤ２よりも長い。また、内周面３２０ｂは、内周面１２ｂの下端よりも内側に設けられており、外周面３２０ａは外周面１２ａの下端よりも外側に設けられている。これにより、半導体装置の加熱工程において、溶剤が揮発することで発生するガスは、スリット３２０を通過して、外側接合層３１２の外部に排出される。従って、変形例１と同様の効果を奏することができる。

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。

以下に、参考例の半導体装置について説明する。以下の参考例においては、上述の実施例と異なる点についてのみ説明する。また、見易くするために、参考例２〜参考例４のそれぞれに対応する、図８〜図１０においては、リードフレーム及び外側接合層のみを図示している。

（参考例１）図７に示す半導体装置４０２において、実施例の半導体装置２とは、ＳｉＣ基板を用いて半導体素子４１８が形成されている点と、内側接合層４１４がＮｉからなっている点が異なる。ＳｉＣ基板を用いて形成される半導体素子４１８は比較的に高耐熱である。このため、放熱性よりも、熱応力に対する耐性を優先することができる。外側接合層４１２と内側接合層４１４を熱膨張率が高いＮｉで形成することで、熱応力に対する耐性を高めることができる。

（参考例２）図８に示すように、外側接合層５１２は、外周面５１２ａがＸ軸に対して４５°傾斜しており、内周面５１２ｂはリードフレーム１０の上面に対してＺ軸方向に延びている。この場合、外周面１２ａ及び内周面１２ｂが傾斜している実施例の外側接合層１２と比較して、外側接合層５１２を容易に形成することができる。

（参考例３）図９に示すように、外側接合層６１２は、傾斜部６１２ａと垂直部６１２ｂと、で構成されている。参考例２と同様に、実施例の外側接合層１２と比較して、外側接合層６１２を容易に形成することができる。

（参考例４）図１０に示すように、外側接合層７１２の形状は、参考例２の外側接合層５１２と同一である。参考例２と異なる点は、リードフレーム７１０に、凹部７１０ａが形成されている点である。凹部７１０ａ及び外側接合層７１２の内側には、内側接合層（図示省略）が充填される。参考例４において、内側接合層はＮｉからなっている。凹部７１０ａに内側接合層が充填されるため、リードフレームに凹部７１０ａが形成されていない場合と比較して、内側接合層のＺ軸方向の長さを長くすることができる。これにより、熱応力に対する耐性を高めることができる。

２：半導体装置
１０：リードフレーム
１２：外側接合層
１２ａ：外周面
１２ｂ：内周面
１４：内側接合層
１６：接合層
１８：半導体素子
１００：アクティブ領域
１００ａ：発熱領域
１１０：非アクティブ領域
１１４：ペースト層
１２０：境界

Claims

金属板に接合層を介して半導体素子を接合した半導体装置であって、
前記接合層は、前記接合層の外周面を規定する外側接合層と、前記外側接合層の内側を充填する内側接合層を備えており、
前記外側接合層は、前記内側接合層よりも熱伝導率と熱膨張率が低く、
前記外側接合層の内面と外面が、前記金属板に近づくにつれて、前記外側接合層の外側に向けて傾斜していることを特徴とする、
半導体装置。