JP2019047094A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子の上面と金属体の下面とを互いに接合するはんだが、金属体の側面に沿って大きくせり上がることを抑制する。【解決手段】半導体装置は、半導体素子と、その下面が前記半導体素子の上面にはんだ層を介して接合された金属体とを備えており、半導体素子の上面のはんだ層に接触する第１接合領域は、金属体の下面のはんだ層に接触する第２接合領域よりも大きく、金属体の側面には、金属体の下面から離れた位置に凹部が設けられている。【選択図】図２

Description

本明細書が開示する技術は、半導体装置に関する。

特許文献１に半導体装置が開示されている。この半導体装置は、半導体素子と、
下面が半導体素子の上面にはんだ層を介して接合された金属体とを備える。

特開２０１６−５８４８７号公報

上記した半導体装置では、製造時、半導体素子と金属体との間が、はんだ付けによって互いに接合される。半導体素子の上面は、金属体の下面よりも面積が大きいので、半導体素子の上面に接触するはんだ層の端部は、いわゆるフィレット形状（裾広がりの形状）を成す。ここで、はんだ層の線膨張係数は比較的に大きいので、はんだ層の形状によっては、半導体装置の使用時におけるはんだ層の熱膨張に起因して、半導体素子に過大な熱応力が作用し得る。この点に関して、工業製品である半導体装置では、不可避的に生じる製造誤差に起因して、はんだ層の形状にも個体差が生じ得る。特に、はんだの量が相対的に過多である場合は、はんだが金属体の側面をせり上がることによって、はんだ層のフィレット角度（フィレット形状の端部の角度）が意図せず大きくなることがある。フィレット角度が大きくなるほど、半導体素子の狭い範囲にはんだ層が厚く存在することになるので、半導体素子に与えられる熱応力は局所的に大きくなる。その結果、半導体装置の使用時において、はんだから半導体素子へと局所的に作用する大きな応力が、半導体素子に損傷を与える可能性がある。本明細書では、半導体素子の上面と金属体の下面とを互いに接合するはんだが、金属体の側面に沿って大きくせり上がることを抑制する技術を提供する。

本明細書が開示する半導体装置は、半導体素子と、その下面が前記半導体素子の上面にはんだ層を介して接合された金属体とを備えており、半導体素子の上面のはんだ層に接触する第１接合領域は、金属体の下面のはんだ層に接触する第２接合領域よりも大きく、金属体の側面には、金属体の下面から離れた位置に凹部が設けられている。

上記した半導体装置では、半導体素子の上面においてはんだ層に接触する第１接合領域が、金属体の下面においてはんだ層に接触する第２接合領域よりも大きい。このような構成によると、半導体装置の製造工程において、半導体素子の上面と金属体の下面との間をはんだ付けするときに、過剰なはんだが金属体の側面をせり上がるおそれがある。しかしながら、金属体の側面には凹部が設けられており、金属体の側面をせり上がるはんだは、凹部に収容されていく。これにより、はんだが金属体の側面に沿って大きくせり上がることが抑制され、はんだ層のフィレット角度も比較的に小さく抑えられる。

半導体装置１０の断面図である。 半導体素子１２と導体スペーサ１８とを接合するはんだ層５４を示す。 凹部を有さない導体スペーサ１１８の場合のはんだ層５４を示す。 フィレット形状の端部における熱応力の試算を説明する図であって、（Ａ）は導体スペーサ１８によるはんだ層５４の端部の形状を示し、（Ｂ）は凹部を有さない導体スペーサ１１８によるはんだ層５４の端部の形状を示す。 半導体装置１０の導体スペーサ１８の製造方法を説明する図であって、金属板１９を用意する工程を示す。 半導体装置１０の導体スペーサ１８の製造方法を説明する図であって、図５で用意した金属板１９をプレス加工する工程を示す。 半導体装置１０の導体スペーサ１８の製造方法を説明する図であって、図６でプレス加工した金属部材１８’の側面１８’ｃに凹部１８ｄを形成する工程を示す。

図面を参照して、実施例の半導体装置１０の説明をする。図１は、半導体装置１０の断面図である。半導体装置１０は、一例ではあるが、図１に示すように両面冷却構造を有する。但し、本明細書における技術は、両面冷却構造に限定されるものではなく、他の構造を有する半導体装置にも採用することができる。半導体装置１０は、半導体素子１２、導体スペーサ１８、下面側導体板２０、上面側導体板２２、第１放熱板２４、第２放熱板２６、モールド樹脂３２を備える。半導体素子１２は、モールド樹脂３２内に封止されている。モールド樹脂３２は、絶縁性を有する材料で構成されている。特に限定されないが、モールド樹脂３２を構成する材料は、エポキシ樹脂といった熱硬化性の樹脂材料であってもよい。

半導体素子１２は、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、又はＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのパワー半導体素子である。また半導体素子１２は、例えばシリコン（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、又は窒化ガリウム（ＧａＮ）といった各種の半導体材料を用いて構成されることができる。半導体素子１２は、上面電極１４と下面電極１６とを備える。上面電極１４は半導体素子１２の上面１２ａに位置しており、下面電極１６は半導体素子１２の下面１２ｂに位置している。上面電極１４及び下面電極１６を構成する材料には、特に限定されないが、例えばアルミニウム系又はその他の金属を採用することができる。

導体スペーサ１８は、例えば銅、又はその他の金属といった導電性を有する材料を用いて構成されている。導体スペーサ１８は、概して板形状あるいはブロック形状の部材であり、上面１８ａと、上面１８ａとは反対側に位置する下面１８ｂと、上面１８ａと下面１８ｂとの間に広がる四つの側面１８ｃを有する。導体スペーサ１８は、モールド樹脂３２内に位置している。後述するが、導体スペーサ１８の上面１８ａは、上面側導体板２２の下面２２ｂとはんだ層５６を介して接続されている。また導体スペーサ１８の下面１８ｂは、半導体素子１２の上面電極１４とはんだ層５４を介して接合されている。これにより、半導体素子１２の上面電極１４は、導体スペーサ１８を介して上面側導体板２２に電気的、熱的に接続されている。ここで、導体スペーサ１８は、本明細書が開示する技術における金属体の一例である。

導体スペーサ１８の側面１８ｃには、凹部１８ｄが形成されている。凹部１８ｄは、導体スペーサ１８の下面１８ｂから離れて位置しており、本実施例では一例として、導体スペーサ１８の厚み方向の中央に設けられている。凹部１８ｄは、溝形状で形成されており、導体スペーサ１８の周囲を連続的に一巡している。但し、凹部１８ｄの構成は様々に変更可能であり、例えば、導体スペーサ１８の周囲を断続的に一巡する溝形状であってもよい。あるいは、凹部１８ｄは、円形、長円形又は多角形の開口を有する複数の穴が、導体スペーサ１８の周囲を一巡するように配列されたものであってもよい。

下面側導体板２０及び上面側導体板２２は、例えば銅、又はその他の金属といった導電性を有する材料を用いて構成されている。下面側導体板２０は、概して板形状の部材であり、上面２０ａと、上面２０ａとは反対側に位置する下面２０ｂとを有する。前述したように、下面側導体板２０の下面２０ｂは、モールド樹脂３２の内部において、半導体素子１２の下面電極１６とはんだ層５２を介して接合されている。これにより、上面側導体板２２は、半導体素子１２と電気的に接続されている。一方、下面側導体板２０の下面２０ｂは、モールド樹脂３２の外部に露出している。下面側導体板２０は、半導体素子１２と熱的にも接続されており、半導体素子１２で発生した熱は第１放熱板２４へと伝達される。

同様に、上面側導体板２２もまた、概して板形状の部材であり、上面２２ａと、上面２２ａとは反対側に位置する下面２２ｂとを有する。上面側導体板２２の上面２２ａは、モールド樹脂３２の内部において、導体スペーサ１８の下面１８ｂとはんだ層５６を介して接合されている。一方、上面側導体板２２の上面２２ａは、モールド樹脂３２の外部に露出している。上面側導体板２２は、導体スペーサ１８を介して半導体素子１２と熱的にも接続されており、半導体素子１２で発生した熱は第２放熱板２６へと伝達される。

第１放熱板２４及び第２放熱板２６は、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金又はその他の金属といった、熱伝導性に優れた材料で構成されている。第１放熱板２４及び第２放熱板２６は複数のフィン２４ａ、２６ａをそれぞれ有する。第１放熱板２４は、第１絶縁シート２８を介して、下面側導体板２０の下面２０ｂに熱的に接続されている。第２放熱板２６は、第２絶縁シート３０を介して、上面側導体板２２の上面２２ａに熱的に接続されている。絶縁シート２８、３０は、例えば樹脂といった、絶縁性を有する材料を用いて構成されることができる。放熱板２４、２６は複数のフィン２４ａ、２６ａから外部（例えば大気中や冷媒中）に放出する。即ち、半導体装置１０は、半導体素子１２で発生した熱が第１放熱板２４及び第２放熱板２６によって外部へと放出される両面冷却構造を有する。

上記した半導体装置１０では、半導体素子１２の上面電極１４においてはんだ層５４に接触する第１接合領域Ｒ１が、導体スペーサ１８の下面１８ｂにおいてはんだ層５４に接触する第２接合領域Ｒ２よりも大きい（図２参照）。このような構成によると、半導体装置１０の製造工程において、半導体素子１２の上面電極１４と導体スペーサ１８の下面１８ｂとの間をはんだ付けするときに、過剰なはんだが導体スペーサ１８の側面１８ｃをせり上がるおそれがある。しかしながら、導体スペーサ１８の側面１８ｃには凹部１８ｄが設けられており、導体スペーサ１８の側面１８ｃをせり上がるはんだは、凹部１８ｄに収容されていく。これにより、はんだが導体スペーサ１８の側面１８ｃに沿って大きくせり上がることが抑制され、はんだ層５４のフィレット角度θ_Ａは比較的に小さい角度に維持される。

上記に対して、図１で示した半導体装置１０が、図３に示すような凹部１８ｄを有さない導体スペーサ１１８を用いて構成されるとする。この場合、半導体素子１２の上面電極１４と導体スペーサ１１８の下面１１８ｂとの間に位置する過剰なはんだは、導体スペーサ１１８の側面１１８ｃを大きくせり上がってしまう。その結果、本実施例の導体スペーサ１８を採用した場合と比較して、凹部１８ｄを有さない導体スペーサ１１８を採用した場合のはんだ層５４のフィレット角度θ_Ｂは大きくなる（図３で示す角度θ_Ｂは、図２で示す角度θ_Ａよりも大きい）。即ち、図３に示す導体スペーサ１１８の構造では、はんだ層５４のフィレット角度θ_Ｂが意図せず大きくなることがある。その結果、半導体素子１２の狭い範囲にはんだ層５４が厚く存在することになり、はんだ層５４の熱膨張に起因して半導体素子１２に与えられる熱応力が局所的に大きくなる可能性がある。

図４を参照して、はんだ層５４の熱膨張に起因して半導体素子１２に与えられる熱応力（特に、フィレット形状の端部における熱応力）について説明する。図４（Ａ）は、本実施例における導体スペーサ１８によるはんだ層５４の端部の形状（図２参照）を示し、図４（Ｂ）は凹部１８ｄを有さない導体スペーサ１１８によるはんだ層５４の端部の形状（図３参照）を示している。はんだ層５４に生じる熱応力σは、次式で試算できる。
σ ＝ Ｅ・ｈ・α・ΔＴ
ここで、Ｅはヤング率、αは線膨張係数、ΔＴは温度変化、ｈはフィレット高さ（はんだ層５４が導体スペーサ１８の側面１８ｃをせり上がった高さ）を示す。一例として、半導体装置１０の温度が０℃から１００℃まで上昇したとして、はんだの線膨張係数を２８．９×１０^−６μｍ／℃、はんだのヤング率を１７．２×１０^−３Ｎ／μｍ^２とすると、はんだ層５４に生じる熱応力σは次のように求められる。図４（Ａ）に示すフィレット形状の場合、フィレット高さｈ_Ａを２００（μｍ）とすると、単位面積当たりに与える応力σ_Ａは、０．０１０（Ｎ／μｍ^２）となる。その計算式は、下記の通りである。
σ_Ａ ＝ １７．２×１０^-３（Ｎ／μｍ^２）×２８．９×１０^−６（μｍ／℃）×２００（μｍ／μｍ^２）×（１００−０）（℃） ＝ ０．０１０（Ｎ／μｍ^２）
また、同様に図４（Ｂ）のフィレット形状の場合、フィレット高さｈ_Ｂを３００（μｍ）とすると、単位面積当たりに与える応力σ_Ｂは、０．０１５（Ｎ／μｍ^２）となる。その計算式は、下記の通りである。
σ_Ｂ ＝ １７．２×１０^-３（Ｎ／μｍ^２）×２８．９×１０^−６（μｍ／℃）×３００（μｍ／μｍ^２）×（１００−０）（℃） ＝ ０．０１５（Ｎ／μｍ^２）
上記したように、はんだ層５４に生じる熱応力は、図４（Ａ）に示すフィレット形状（実施例）の場合では０．０１０（Ｎ／μｍ^２）となるのに対し、図４（Ｂ）のフィレット形状の場合では０．０１５（Ｎ／μｍ^２）となり、本技術を採用することではんだ層５４に生じる熱応力は３３％低減することができる。即ち、製造時におけるはんだのせり上がり（即ち、フィレット角度の増大）を抑制することによって、半導体装置１０の使用時においてはんだ層５４に生じる熱応力を低減し、半導体素子１２に損傷を与えることを防止し得る。

図５〜７を参照して、半導体装置１０における導体スペーサ１８の製造方法を説明する。第１工程として、図５に示すように、導体スペーサ１８の仕上がりの厚みと同じ金属板１９を用意する。一例ではあるが、この金属板１９は銅のような導電性に優れた材料で構成されていればよく、この金属板１９の厚み寸法は２００μｍ程度でよい。第２工程として、図６に示すように、用意した金属板１９を導体スペーサ１８の寸法にプレス加工して、導体スペーサ１８の半製品である金属部材１８’を作製する。一例ではあるが、導体スペーサ１８の平面寸法は、５００μｍ×５００μｍ程度でよい。最後に第３工程として、図７に示すように、プレス加工した金属部材１８’の側面１８’ｃに切削加工をして凹部１８ｄを形成する。一例ではあるが、金属部材１８’の下面１８’ｂから５０μｍ程度離れた位置に、高さ１００μｍ程度、奥行き５０μｍ程度の凹部１８ｄを形成すればよい。以上の製造工程によって、半導体装置１０における導体スペーサ１８が完成する。また、導体スペーサ１８の製造工程を除いて、半導体装置１０は従来と同様の製造工程で製造することができる。

以上、いくつか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。本明細書又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る。

１０：半導体装置
１２：半導体素子
１２ａ：半導体素子の上面
１２ｂ：半導体素子の下面
１４：上面電極
１６：下面電極
１８、１１８：導体スペーサ
１８ａ：導体スペーサの上面
１８ｂ、１１８ｂ：導体スペーサの下面
１８ｃ、１１８ｃ：導体スペーサの側面
１８ｄ：導体スペーサの凹部
２０：下面側導体板
２０ａ：下面側導体板の上面
２０ｂ：下面側導体板の下面
２２：上面側導体板
２２ａ：上面側導体板の上面
２２ｂ：上面側導体板の下面
２４、２６：放熱板
２４ａ、２６ａ：フィン
２８、３０：絶縁シート
３２：モールド樹脂
５２、５４、５６：はんだ層

Claims (1)

1. 半導体素子と、
   下面が前記半導体素子の上面にはんだ層を介して接合された金属体と、
   を備えており、
   前記半導体素子の前記上面において前記はんだ層に接触する第１接合領域は、前記金属体の前記下面において前記はんだ層に接触する第２接合領域よりも大きく、
   前記金属体の側面には、前記金属体の前記下面から離れた位置に凹部が設けられている、半導体装置。

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