JP7421935B2 - semiconductor equipment - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device.
チップ状の半導体素子の一方の電極面及び他方の電極面のそれぞれに、はんだ等の接合材を介して導体板を接合し、半導体素子の両面側から冷却する両面冷却構造を有する半導体装置が知られている(例えば、特許文献1)。 A semiconductor device is known which has a double-sided cooling structure in which a conductive plate is bonded to one electrode surface and the other electrode surface of a chip-shaped semiconductor element through a bonding material such as solder, and the semiconductor element is cooled from both sides. (For example, Patent Document 1).
特許文献1には、半導体素子と、はんだを介して半導体素子と接合されたヒートスプレッダと、半導体素子とヒートスプレッダとの間の寸法を規定する規定部と、ヒートスプレッダの半導体素子が接合される領域の外側に設けられ内部に溶融したはんだを収納する収納部と、内部に保持した溶融したはんだを収納部との間において流通させる保持部と、を備えた半導体装置が記載されている。 Patent Document 1 describes a semiconductor element, a heat spreader joined to the semiconductor element via solder, a defining part that defines dimensions between the semiconductor element and the heat spreader, and a region of the heat spreader outside the area where the semiconductor element is joined. A semiconductor device is described that includes a storage section that is provided in the storage section and stores molten solder therein, and a holding section that allows the molten solder held inside to flow between the storage section and the storage section.
両面冷却構造を有する半導体装置の組み立て工程においては、一方の電極面から他方の電極面へ向かう方向に荷重が加わった状態で、半導体素子の電極面と導体板とがはんだ接合される。それにより、半導体素子には、荷重が加わった方向に凸の反りが発生することがある。半導体素子に反りが発生すると、半導体素子にクラックが発生し易くなり、半導体装置の信頼性が低下する可能性がある。 In an assembly process of a semiconductor device having a double-sided cooling structure, an electrode surface of a semiconductor element and a conductor plate are soldered together with a load applied in a direction from one electrode surface to the other electrode surface. As a result, the semiconductor element may be warped in a convex manner in the direction in which the load is applied. When warpage occurs in a semiconductor element, cracks are likely to occur in the semiconductor element, which may reduce the reliability of the semiconductor device.
特許文献1に記載の半導体装置は、この半導体素子に発生し得る反りの問題について、何ら考慮されていない。また、特許文献1に記載の半導体装置は、半導体素子とヒートスプレッダとの間の寸法を規定する規定部が、球状に形成されたスペーサや、ヒートスプレッダから半導体素子へ延びる柱状に形成された突起部から構成される。このため、特許文献1に記載の半導体装置は、組み立て工程において、規定部がヒートスプレッダ上で転がったり、半導体素子が規定部上で滑ったりして、規定部及び半導体素子の位置決めが難しい。特許文献1に記載の半導体装置では、半導体素子とヒートスプレッダとの間において規定部を適切な位置に載置し、半導体素子の反りを抑制することが困難である。よって、特許文献1に記載の半導体装置には、装置の信頼性を向上させる点で、改善の余地がある。 The semiconductor device described in Patent Document 1 does not take into account the problem of warping that may occur in the semiconductor element. Further, in the semiconductor device described in Patent Document 1, the defining portion that defines the dimension between the semiconductor element and the heat spreader is formed from a spherical spacer or a columnar protrusion extending from the heat spreader to the semiconductor element. configured. For this reason, in the semiconductor device described in Patent Document 1, the defining part rolls on the heat spreader or the semiconductor element slips on the defining part during the assembly process, making it difficult to position the defining part and the semiconductor element. In the semiconductor device described in Patent Document 1, it is difficult to place the defining portion at an appropriate position between the semiconductor element and the heat spreader and to suppress warping of the semiconductor element. Therefore, the semiconductor device described in Patent Document 1 has room for improvement in terms of improving the reliability of the device.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、半導体素子の反りを抑制して装置の信頼性を向上させることが可能な半導体装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of suppressing warpage of a semiconductor element and improving reliability of the device.
上記課題を解決するために、本発明に係る半導体装置は、一方の面に形成された第1電極面と、前記一方の面と反対の他方の面に形成された第2電極面とを有する半導体素子と、前記第1電極面に第1接合材を介して接合される第1導体板と、前記第2電極面に第2接合材を介して接合される第2導体板と、前記第2電極面と前記第2導体板との間に設けられるワイヤ部材とを備え、前記ワイヤ部材は、湾曲していることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a semiconductor device according to the present invention has a first electrode surface formed on one surface, and a second electrode surface formed on the other surface opposite to the one surface. a semiconductor element; a first conductor plate bonded to the first electrode surface via a first bonding material; a second conductor plate bonded to the second electrode surface via a second bonding material; A wire member is provided between the two electrode surfaces and the second conductor plate, and the wire member is curved.
本発明によれば、半導体素子の反りを抑制して装置の信頼性を向上させることが可能な半導体装置を提供することができる。
上記以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device that can suppress warpage of a semiconductor element and improve reliability of the device.
Problems, configurations, and effects other than those described above will be made clear by the description of the embodiments below.
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、各実施形態において同一の符号を付された構成は、特に言及しない限り、各実施形態において同様の機能を有するため、その説明を省略する。また、必要な図面には、各部の位置の説明を明確にするために、x軸、y軸及びz軸から成る直交座標軸を記載している。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, unless otherwise mentioned, the components given the same reference numerals in each embodiment have the same functions in each embodiment, and therefore the description thereof will be omitted. Further, in the necessary drawings, orthogonal coordinate axes consisting of an x-axis, a y-axis, and a z-axis are shown in order to clearly explain the positions of each part.
本実施形態では、チップ状の半導体素子32に直交する方向、すなわち、下記の第1電極面44及び第2電極面45に直交する方向を、「縦方向」とも称する。本実施形態では、チップ状の半導体素子32に沿った方向、すなわち、第1電極面44及び第2電極面45に沿った方向を、「横方向」とも称する。縦方向は、図面に記載された直交座標軸のz軸方向に対応する。横方向は、図面に記載された直交座標軸のxy平面に沿った方向に対応する。
In this embodiment, the direction perpendicular to the chip-
図1は、本実施形態に係る半導体装置100の外観を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing the appearance of a
半導体装置100は、インバータ等の電力変換装置に適用されるパワー半導体モジュールである。半導体装置100は、例えば、ハイブリッド自動車、電気自動車又は燃料電池車等の電動車両に搭載されるパワー半導体モジュールである。半導体装置100は、液冷式の両面冷却構造を有する。
The
半導体装置100は、半導体素子32等の各構成要素を、第1封止樹脂6及び第2封止樹脂7を用いて成形し、金属製のケース40の内部に収容した構造を有する(図2を参照)。
The
ケース40は、熱伝導性を有する材料を用いて形成される。ケース40は、例えば、Cu、Cu合金、Cu-C、Cu-CuO又はこれらの複合材、或いは、Al、Al合金、AlSiC、Al-C又はこれらの複合材等を用いて形成される。
ケース40は、例えば、扁平状の筒型形状を成す容器である。ケース40は、一方の面に開口部が設けられ、一方の面に対向する他方の面に底部が設けられる。ケース40の開口部には、直流正極端子52、直流負極端子53、交流出力端子54及び制御端子55が、外部へ向かって突出するように延びている。なお、図1では、開口部が一方の面のみに設けられたケース40の例を示しているが、ケース40は、開口部が他方の面にも設けられてよい。
The
ケース40は、縦方向において互いに間隔を空けて対向する板状の一対の放熱部材41と、一対の放熱部材41を支持する枠体43とを含む。
The
一対の放熱部材41のそれぞれの外表面には、縦方向に延びる複数の放熱フィン42が設けられる。一対の放熱部材41のそれぞれは、例えば、摩擦攪拌接合、レーザ溶接、又は、ろう付け等の接合方法を用いて、枠体43と接合されている。
A plurality of
上記の構成により、半導体装置100は、水、油又は有機物等の液体の冷媒が流れる流路内に挿入されても、冷媒がケース40の内部に進入することを防止できるため、液冷式の冷却構造を簡易な構成で実現することができる。なお、図2では、一対の放熱部材41と枠体43とが別体として形成された例を示しているが、一対の放熱部材41と枠体43とは同一の材料を用いて一体的に形成されてもよい。
With the above configuration, even if the
図2は、図1に示すA-A線で半導体装置100を切断した縦断面図である。図3(a)は、図2に示す半導体素子32の第1電極面44を示す図である。図3(b)は、図2に示す半導体素子32の第2電極面45を示す図である。
FIG. 2 is a vertical cross-sectional view of the
半導体装置100は、半導体素子32を備える。半導体素子32は、IGBT(insulated gate bipolar transistor)、IEGT(injection enhanced gate transistor)又はMOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)等のトランジスタが形成された半導体素子、或いは、ダイオードが形成された半導体素子により構成される。半導体素子32は、スイッチング素子として機能する。図2、図3(a)及び図3(b)では、半導体素子32の一例として、トランジスタが形成された半導体素子が示されている。
The
半導体素子32は、図3(a)及び図3(b)に示すように、矩形のチップ状を成す。半導体素子32は、面積が広い2つの主面を有する。2つの主面のうちの他方の主面は、一方の主面と反対の面である。半導体素子32の一方の主面には、図3(a)に示すように、第1電極面44及び制御電極47が形成される。半導体素子32の他方の主面には、図3(b)に示すように、第2電極面45が全面に亘り形成される。第1電極面44と第2電極面45とは平行である。第2電極面45の面積は、第1電極面44の面積よりも大きい。
The
半導体素子32が、例えばIGBT等のトランジスタが形成された半導体素子である場合、第1電極面44はエミッタ電極に相当し、第2電極面45はコレクタ電極に相当する。この場合、第1電極面44、第2電極面45及び制御電極47は、例えば、Cu、Al、Ni又はこれらの合金等を用いて形成される。第1電極面44、第2電極面45及び制御電極47の表面には、Ni、Au、Ag、Sn、Pd又はこれらの合金等の鍍金が施されている。
When the
また、半導体装置100は、図2に示すように、半導体素子32の第1電極面44に第1接合材31を介して接合される第1導体板30と、半導体素子32の第2電極面45に第2接合材33を介して接合される第2導体板34とを備える。
As shown in FIG. 2, the
第1接合材31及び第2接合材33は、導電性を有し金属を接合する接合材により構成される。第1接合材31及び第2接合材33は、例えば、Pbフリーはんだや、微細金属粒子を含んだAgペースト等の低温焼結接合材により構成される。
The
第1導体板30及び第2導体板34のそれぞれは、導電性及び熱伝導性を有する材料を用いて形成される。第1導体板30及び第2導体板34のそれぞれは、例えば、Cu若しくはCu合金、又は、Al若しくはAl合金等を用いて形成される。なお、図2では、第1導体板30及び第2導体板34が単一の部材で形成された例を示しているが、第1導体板30及び第2導体板34は、複数の部材を接合して形成されていてもよい。
Each of the first
第1導体板30は、縦方向において第1電極面44に対向して配置される。第2導体板34は、縦方向において第2電極面45に対向して配置される。第1導体板30及び第2導体板34は、縦方向から半導体素子32を挟持する。半導体素子32から発生した熱は、第1電極面44及び第2電極面45の両面側から、第1接合材31及び第2接合材33を介して、第1導体板30及び第2導体板34に伝達され、一対の放熱部材41にそれぞれ伝達される。
The
第1導体板30は、交流出力端子54に接続される第1導体板30aと、直流負極端子53に接続される第1導体板30bとを含む。第1導体板30a及び第1導体板30bは、横方向において同一平面上に配置される。
The
第2導体板34は、直流正極端子52に接続される第2導体板34aと、交流出力端子54に接続される第2導体板34bとを含む。第2導体板34a及び第2導体板34bは、横方向において同一平面上に配置される。第2導体板34bは、リード部材等によって第1導体板30aに接続される。
The
第1導体板30及び第2導体板34は、半導体素子32を挟持した状態において、第1封止樹脂6によって封止されている。第1封止樹脂6は、例えば、エポキシ樹脂等であり、トランスファーモールド等の樹脂成型によって成形される。第1封止樹脂6は、第1導体板30の放熱部材41側の面30cが、第1封止樹脂6から露出するように成形される。第1導体板30の第1封止樹脂6から露出した面30cは、熱伝導性を有する絶縁層51を介して放熱部材41に接続される。第1封止樹脂6は、第2導体板34の放熱部材41側の面34cが、第1封止樹脂6から露出するように成形される。第2導体板34の第1封止樹脂6から露出した面34cは、熱伝導性を有する絶縁層51を介して放熱部材41に接続される。
The
絶縁層51は、半導体素子32から発生した熱を放熱部材41に伝達する部材であり、熱伝導率が高く、かつ、絶縁耐圧が大きい材料を用いて形成される。絶縁層51は、例えば、Al2O3、AlN若しくはSi3N4等のセラミクス、又は、これらの微粉末を含有する絶縁シート若しくは接着材を用いて形成することができる。
The insulating
第1封止樹脂6及び絶縁層51と枠体43との間には、第2封止樹脂7が充填されている。第2封止樹脂7は、第1封止樹脂6と同一の材料を用いて形成されてもよい。
A
図4は、図2に示す半導体装置100の要部Bの拡大図である。
FIG. 4 is an enlarged view of a main part B of the
半導体装置100は、組み立て工程において、第1接合材31又は第2接合材33の濡れ性を向上させるスクラブ動作や、第1導体板30の重さによって、半導体素子32に対して、第1電極面44から第2電極面45へ向かう方向に荷重が加わる。それにより、半導体素子32は、第1電極面44から第2電極面45へ向かう方向に撓んで、第1電極面44から第2電極面45へ向かう方向に凸の反りが発生し易い。
During the assembly process, the
更に、第2電極面45の面積は、第1電極面44の面積よりも大きい。第2電極面45に対する第2接合材33の接合面33aの面積は、第1電極面44に対する第1接合材31の接合面31aの面積よりも大きくなる。このため、組み立て工程における第1接合材31及び第2接合材33の接合の際に、半導体素子32には、第1電極面44側と第2電極面45側との間で熱収縮量に差が生じる。それにより、半導体素子32は、第1電極面44から第2電極面45へ向かう方向に撓んで、第1電極面44から第2電極面45へ向かう方向に凸の反りが発生し易い。
Furthermore, the area of the
また、第1接合材31の体積が第2接合材33の体積より大きい場合、第1接合材31の熱膨張量が第2接合材33の熱膨張量よりも大きくなる。このため、半導体素子32の駆動によって繰り返し発熱する際(パワーサイクルの際)に、第1接合材31と第2接合材33との熱膨張量の差に伴って、半導体素子32には、第1電極面44から第2電極面45へ向かう方向に荷重が加わる。それにより、半導体素子32は、第1電極面44から第2電極面45へ向かう方向に撓んで、第1電極面44から第2電極面45へ向かう方向に凸の反りが発生し易い。
Further, when the volume of the
半導体素子32に反りが発生すると、駆動時の熱応力に伴って生じる歪が大きくなることから、半導体素子32にクラックが発生し易くなる。それにより、半導体装置100では、信頼性が低下する可能性がある。
When warpage occurs in the
そこで、本実施形態に係る半導体装置100では、図4に示すように、半導体素子32の第2電極面45と第2導体板34との間に、金属製のワイヤ部材20が設けられる。ワイヤ部材20は、上記のように半導体素子32が第1電極面44から第2電極面45へ向かう方向に撓もうとしても、半導体素子32の撓む挙動を規制することができる。このため、ワイヤ部材20は、上記のような半導体素子32の反りを抑制することができる。それにより、半導体装置100では、半導体素子32のクラックの発生を抑制することができるため、装置の信頼性を向上させることができる。
Therefore, in the
加えて、ワイヤ部材20は、第2電極面45と第2導体板34との間の縦方向寸法を規定するスペーサとして機能し、第2接合材33の厚さを適切な厚さに管理することができる。それにより、半導体装置100では、第2接合材33のクラックの発生を抑制することができるため、装置の信頼性を向上させることができる。
In addition, the
ここで、第2電極面45と第2導体板34との間に広がる領域は、領域Mと領域Nとに分けることができる。領域Mは、第2電極面45に直交する方向、すなわち、縦方向から視て、第1電極面44に対する第1接合材31の接合面31aと重複する領域である。領域Nは、領域Mの横方向に沿った外周を囲む領域である。領域Nは、縦方向から視て、領域Mから横方向に突出する領域である。
Here, the region extending between the
ワイヤ部材20は、第2電極面45と第2導体板34との間の領域のうち、少なくとも領域Mに設けられる。半導体素子32では、第1電極面44から第2電極面45へ向かう方向に撓む場合、半導体素子32の中央部、すなわち、第2電極面45の中央部の撓み量が最大となり易い。すなわち、ワイヤ部材20が領域Mに設けられていない場合には、半導体素子32が第1電極面44から第2電極面45へ向かう方向に撓む挙動を規制することができない虞があり、半導体素子32の反りを抑制することが難しくなる可能性がある。
The
本実施形態に係るワイヤ部材20は、領域Mに設けられることで、半導体素子32が第1電極面44から第2電極面45へ向かう方向に撓む挙動を効果的に規制することができるため、半導体素子32の反りを効果的に抑制することができる。それにより、半導体装置100では、半導体素子32のクラックの発生を効果的に抑制することができるため、装置の信頼性を更に向上させることができる。なお、ワイヤ部材20は、少なくとも領域Mに設けられていればよく、領域Mのみに設けられてもよいし、領域Mと領域Nとに跨って設けられてもよい。
By being provided in the region M, the
また、ワイヤ部材20は、第2接合材33の内部に埋設される。ワイヤ部材20は、ワイヤ部材20を形成する金属と第2接合材33に含まれる金属とが合金層を形成する場合、第2接合材33と強固に接合し、第2接合材33が剥離し難くなる。第2接合材33がワイヤ部材20から剥離すると、剥離した部分が起点となって、クラックが発生し易い。よって、ワイヤ部材20の材料は、第2接合材33に含まれる金属と一緒に合金層を形成する材料である場合、第2接合材33が剥離し難くなるため好適である。この場合、半導体装置100は、第2接合材33のクラックの発生を抑制することができるため、装置の信頼性を確保することができる。
Further, the
ワイヤ部材20は、第2接合材33の濡れ性が低い場合、第2接合材33と濡れていない部分が多く形成される。ワイヤ部材20の第2接合材33と濡れていない部分には、空隙が形成される。この空隙は、ワイヤ部材20と第2接合材33とが接合すると、第2接合材33のボイドになり易い。よって、ワイヤ部材20の材料は、第2接合材33の濡れ性が高い材料である場合、第2接合材33にボイドが発生し難くなるため好適である。この場合、半導体装置100は、第2接合材33のボイドの発生を抑制することができるため、第2接合材33の熱抵抗上昇及びクラックの発生を抑制することができ、装置の信頼性を確保することができる。
When the
ワイヤ部材20は、半導体素子32の第2電極面45と第2導体板34とに接触する。ワイヤ部材20は、第2電極面45よりも柔らかいと好適である。第2電極面45よりも柔らかいとは、ビッカース硬さやブリネル硬さ等の各種の硬さを示す指標が、第2電極面45よりも小さいことを示すという意味である。すなわち、ワイヤ部材20は、第2電極面45よりも小さい硬さを有すると好適である。ワイヤ部材20が第2電極面45よりも柔らかいことにより、ワイヤ部材20は、第2電極面45と接触しても、第2電極面45を傷付けて半導体素子32を損傷させることを抑制することができる。半導体装置100は、ワイヤ部材20が設けられても、半導体素子32の損傷を抑制することができ、装置の信頼性を確保することができる。なお、第2電極面45よりも柔らかいとは、ワイヤ部材20の材料のヤング率が、第2電極面45の材料のヤング率よりも小さいことを示すという意味であってもよい。
The
第2接合材33と一緒に合金層を形成する点、第2接合材33の濡れ性が高い点、及び、第2電極面45よりも柔らかい点を鑑みると、ワイヤ部材20の材料は、例えば、Cu及びCuの合金が好適である。但し、ワイヤ部材20の材料は、必ずしもCu及びCuの合金に限定されるものではない。ワイヤ部材20の材料は、第2接合材33の融点より高い融点を有し、高温に曝されても剛性が低下せず、半導体素子32の反りを抑制することが可能な材料であればよい。
Considering that an alloy layer is formed together with the
なお、半導体装置100において、第1接合材31の接合面31aの面積は、接合面31bの面積よりも大きい。第2接合材33の接合面33aの面積は、第2接合材33の接合面33bの面積よりも大きい。それにより、第1接合材31及び第2接合材33のそれぞれには、フィレットが形成されるため、第1接合材31及び第2接合材33の剪断応力を低減することができ、クラックの発生を抑制することができる。
Note that in the
図5は、図4に示すC-C線で半導体装置100を切断した横断面図である。図6は、図5に示すD-D線で半導体装置100を切断した縦断面図である。なお、図5及び図6では、ワイヤ部材20のハッチングの図示が省略されていると共に、第1封止樹脂6の図示が省略されている。
FIG. 5 is a cross-sectional view of the
半導体装置100では、ワイヤ部材20が直線状を成す場合、組み立て工程において、ワイヤ部材20が第2導体板34上で転がったり、半導体素子32がワイヤ部材20上で滑ったりし易く、ワイヤ部材20及び半導体素子32の位置決めが難しい。このことは、半導体装置100では、組み立て工程の作業性が低下するばかりでなく、半導体素子32及びワイヤ部材20が適切に位置決めされないことによって、半導体素子32の反りを抑制し難くなったり、半導体素子32の姿勢が不安定になったりする問題を生じ得る。それにより、半導体装置100では、装置の信頼性が低下する可能性がある。
In the
そこで、本実施形態に係る半導体装置100では、図5に示すように、ワイヤ部材20が湾曲した形状を成すように形成される。ワイヤ部材20は、縦方向又は横方向から視て、少なくとも1つの湾曲部を有する。すなわち、ワイヤ部材20は、第2電極面45に沿った方向、又は、第2電極面45と交差する方向から視て、少なくとも1つの湾曲部を有する。
Therefore, in the
ワイヤ部材20は、同一の部位において第2電極面45に沿った方向及び第2電極面45と交差する方向のそれぞれに湾曲する場合がある。本実施形態では、第2電極面45に沿った方向(横方向)に主に湾曲する湾曲部を、「第1湾曲部23」とも称する。本実施形態では、第2電極面45に交差する方向(縦方向)に主に湾曲する湾曲部を、「第2湾曲部24,25」とも称する。第2湾曲部24,25は、第2電極面45に交差する方向(縦方向)のうち、第1電極面44から第2電極面45へ向かう方向に湾曲する第2湾曲部24と、第2電極面45から第1電極面44へ向かう方向に湾曲する第2湾曲部25とを含む。
The
図5では、縦方向から視てワイヤ部材20が「Z字」状を成すように形成された例を示しており、ワイヤ部材20が2つの第1湾曲部23を有する例を示している。図5の第1湾曲部23は、ワイヤ部材20の中間部22と一方の端部21との間に形成されると共に、ワイヤ部材20の中間部22と他方の端部21との間に形成される。第1湾曲部23が形成される位置は、特に限定されない。但し、第1湾曲部23は、両端部21の間において偏在しないように形成されると好適である。
FIG. 5 shows an example in which the
ワイヤ部材20は、2つの第1湾曲部23の間に延びる部分と、第1湾曲部23から端部21まで延びる部分とを有する。また、ワイヤ部材20は、重心位置26が中間部22付近に存在する。このため、ワイヤ部材20は、例えば、重心位置26を通り横方向に沿った軸の周りに回転させようとしても、第1湾曲部23から端部21まで延びる部分が第2導体板34に接触するため、ワイヤ部材20の転がりを抑制することができる。これは、重心位置26を通り横方向に沿った軸から離隔した位置に、第2導体板34に対するワイヤ部材20の接触点24aが存在し得るためである(図6を参照)。更に、ワイヤ部材20は、例えば、重心位置26を通り縦方向に沿った軸の周りに回転させようとしても、第1湾曲部23から端部21まで延びる部分が、第2導体板34との接触面積を増加させるため、ワイヤ部材20の回転を抑制することができる。また、ワイヤ部材20は、第1湾曲部23から端部21まで延びる部分が、第2電極面45との接触面積を増加させるため、半導体素子32の滑りを抑制することができる。
The
したがって、ワイヤ部材20は、第1湾曲部23を有することにより、組み立て工程において、ワイヤ部材20が第2導体板34上で転がったり、半導体素子32がワイヤ部材20上で滑ったりすることを抑制することができ、ワイヤ部材20及び半導体素子32を容易に位置決めすることができる。よって、半導体装置100では、組み立て工程の作業性を向上させることができる。更に、半導体装置100では、半導体素子32及びワイヤ部材20を適切な位置に載置することができるため、半導体素子32の反りを確実に抑制することができるため、装置の信頼性を向上させることができる。
Therefore, by having the first
ワイヤ部材20は、図5に示すように、縦方向から視て、第2電極面45に対する第2接合材33の接合面33aの内側に配置され、接合面33aの角部等の縁部、及び、接合面33aの中央部に存在する。すなわち、ワイヤ部材20は、横方向において第2電極面45の内側に配置され、第2電極面45の角部等の縁部、及び、第2電極面45の中央部において、半導体素子32と接触し得る。このため、半導体装置100では、半導体素子32の反りを確実に抑制することができるだけでなく、半導体素子32を安定した姿勢で支持することができるため、装置の信頼性を更に向上させることができる。
As shown in FIG. 5, the
ワイヤ部材20は、第2電極面45に沿った方向、すなわち、横方向において、第2電極面45の中央部から外部に向かって開いた開放部27を有する。このため、ワイヤ部材20が埋設された第2接合材33は、組み立て工程における第2接合材33の接合の際、第2接合材33の内部に発生したボイドを外部へ排出させ易くなる。それにより、半導体装置100では、第2接合材33のボイド率を低下させることができるため、第2接合材33の熱抵抗上昇及びクラックの発生を抑制することができ、装置の信頼性を確保することができる。なお、ワイヤ部材20は、必ずしも開放部27を有する形状に限定されるわけではない。
The
ここで、ワイヤ部材20が半導体素子32の第2電極面45と接触する際、ワイヤ部材20が剛体として作用すると、第2電極面45を傷付けて半導体素子32を損傷させることが懸念される。
Here, when the
そこで、本実施形態に係る半導体装置100では、図6に示すように、ワイヤ部材20が、第2電極面45と交差する方向に主に湾曲する第2湾曲部24,25を有する。ワイヤ部材20は、第2湾曲部24,25を有することにより、第2導体板34及び第2電極面45とは第2湾曲部24,25で接触することとなる。第2湾曲部24と第2湾曲部25とは、ワイヤ部材20の軸線に沿って交互に設けられる。
Therefore, in the
第2湾曲部24,25は、第2導体板34に対するワイヤ部材20の接触点24aと、第2電極面45に対するワイヤ部材20の接触点25aとを、縦方向に沿った同一直線上に配置せず、横方向の位置が異なる位置となるよう分散させる。このため、ワイヤ部材20では、半導体素子32の反りに伴って第1電極面44から第2電極面45へ向かう方向に荷重が加わったとしても、ワイヤ部材20を弾性体(ばね)として作用させることができる。これにより、ワイヤ部材20は、半導体素子32の反りに伴って荷重が加わったとしても、弾性体として作用することによって第2電極面45を傷付けない。よって、半導体装置100では、半導体素子32の損傷を抑制することができるため、装置の信頼性を確保することができる。
The second
第2湾曲部24は、第2導体板34に対するワイヤ部材20の接触点24aが、少なくとも3点存在するように設けられる。そして、第2湾曲部24は、第2導体板34に対するワイヤ部材20の接触点24aが、第2電極面45に直交する方向、すなわち、縦方向から視て、多角形の頂点を成す位置に配置されるように設けられる(図5を参照)。言い換えると、少なくとも3点存在する複数の接触点24aは、縦方向から視て、同一直線上に配置されず、横方向に分散して配置される。同様に、第2湾曲部25は、第2電極面45に対するワイヤ部材20の接触点25aが、少なくとも3点存在するように設けられる。そして、第2湾曲部25は、第2電極面45に対するワイヤ部材20の接触点25aが、第2電極面45に直交する方向、すなわち、縦方向から視て、多角形の頂点を成す位置に配置されるように設けられる(図5を参照)。言い換えると、少なくとも3点存在する複数の接触点25aは、縦方向から視て、同一直線上に配置されず、横方向に分散して配置される。
The second
すなわち、ワイヤ部材20では、第2導体板34と少なくとも3点で接触し、第2電極面45と少なくとも3点で接触する。そして、ワイヤ部材20は、第2導体板34及び第2電極面45のそれぞれとの接触点が、多角形の頂点を成す位置に配置される。このため、ワイヤ部材20では、半導体素子32を少なくとも3点で支持することができると共に、第2導体板34に少なくとも3点で支持され得る。半導体装置100では、ワイヤ部材20が半導体素子32を安定した姿勢で支持することができるため、装置の信頼性を更に向上させることができる。
That is, the
特に、第2湾曲部24は、複数の接触点24aが、第2導体板34に平行な同一の平面上に配置されるように設けられる。同様に、第2湾曲部25は、複数の接触点25aが、第2導体板34に平行な同一の平面上に配置されるように設けられる。このため、ワイヤ部材20は、半導体素子32を第2導体板34と平行に支持することができる。半導体装置100は、半導体素子32の姿勢が傾斜せず、第2接合材33の厚さを一定に保つことができるため、装置の信頼性を向上させることができる。
In particular, the second
第2湾曲部24,25は、接触点24a及び接触点25aが、ワイヤ部材20の軸線に沿って等間隔に配置されるように設けられる。このため、ワイヤ部材20では、半導体素子32を横方向において均等に支持することができる。半導体装置100では、ワイヤ部材20が半導体素子32を安定した姿勢で支持することができるため、装置の信頼性を更に向上させることができる。
The second
第2湾曲部24,25は、第1電極面44から第2電極面45へ向かう方向に凸の反りが半導体素子32に発生しても、ワイヤ部材20の端部21が第2電極面45と接触しないように設けられる。すなわち、ワイヤ部材20の端部21は、第1電極面44から第2電極面45へ向かう方向に凸の反りが半導体素子32に発生しても、第2電極面45と離隔する。ワイヤ部材20の端部21は、カットされると鋭利な形状を成すことが多いため、第2電極面45に接触すると第2電極面45を傷付けてしまうことが懸念される。ワイヤ部材20は、第1電極面44から第2電極面45へ向かう方向に凸の反りが半導体素子32に発生しても、端部21が第2電極面45と離隔するため、第2電極面45を傷付けることを抑制することができる。半導体装置100では、半導体素子32の損傷を抑制することができ、装置の信頼性を確保することができる。
The second
第2湾曲部24,25は、図6に示すように、横方向から視ると、第2電極面45及び第2導体板34のそれぞれとの間において、隙間を生じさせる。すなわち、第2湾曲部24,25は、横方向において第2電極面45の中央部から外部に向かって開いた開放部27を生じさせる。このため、ワイヤ部材20が埋設された第2接合材33は、組み立て工程における第2接合材33の接合の際、第2接合材33の内部に発生したボイドを外部へ排出させ易くなる。半導体装置100では、第2接合材33のボイド率を低下させることができるため、第2接合材33の熱抵抗上昇及びクラックの発生を抑制することができ、装置の信頼性を確保することができる。
As shown in FIG. 6, the second
図7は、ワイヤ部材20の弾性力と接触点間距離との関係をワイヤ径の依存性を考慮してシミュレーションした結果を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing the results of a simulation of the relationship between the elastic force of the
ワイヤ部材20をCuワイヤとし、そのワイヤ径を50μm、75μm、100μmとして、図7の上段に示すような計算モデルを用いてシミュレーションを行った。ワイヤ部材20の第2導体板34に対する接触点の間の距離をXとし、ワイヤ部材20のヤング率をEとし、ワイヤ部材20の断面二次モーメントをIとし、ワイヤ部材20の縦方向の湾曲による撓み量をνとすると、ワイヤ部材20の弾性力F(X)は、次式で表すことができる。
F(X)=48EIν/X3
The
F(X)=48EIν/X 3
図7の下段に示すように、ワイヤ部材20の弾性力F(X)は、接触点間距離Xを短くし、且つ、ワイヤ径を大きくすることで増加する。ワイヤ部材20の弾性力F(X)が半導体素子32の反りによって加わる荷重P以上である場合、ワイヤ部材20は、半導体素子の反りを抑制することができる。例えば、半導体素子32の反りによって加わる荷重Pが1Nであり、ワイヤ部材20の縦方向の湾曲による撓み量νが10μmであり、ワイヤ部材20のワイヤ径が75μmである場合、接触点間距離Xを0.45mm以下に設計すると、弾性力F(X)が荷重P以上となるため、ワイヤ部材20は、半導体素子の反りを抑制することができる。
As shown in the lower part of FIG. 7, the elastic force F(X) of the
ワイヤ部材20は、図7に示すシミュレーション結果に基づいて適宜設計することができる。但し、ワイヤ部材20のワイヤ径は150μm以下が好適である。ワイヤ部材20のワイヤ径は、第2接合材33の厚さに影響を及ぼすため、第2接合材33の熱抵抗に影響を及ぼす。第2接合材33の厚さが薄いほど、第2接合材33の熱抵抗は小さくなり、半導体装置100の放熱性が向上し得る。ワイヤ部材20のワイヤ径が150μmを超えると、第2接合材33の熱抵抗が大きくなり、半導体素子32で発生した熱が第2導体板34へ適切に熱伝導されない可能性がある。よって、ワイヤ部材20のワイヤ径は150μm以下が好適である。
The
なお、図7のシミュレーションでは、ワイヤ部材20の縦方向の湾曲部が1つの場合を計算しているが、縦方向の湾曲部が複数の場合には、ワイヤ部材20の弾性力F(X)は、複数の湾曲部で得られる弾性力の合計で表される。
In addition, in the simulation of FIG. 7, the case where the
図8は、半導体装置100の組み立て工程に係る製造方法を示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing a manufacturing method related to an assembly process of the
ワイヤ部材20は、例えば、ボビンに巻回されたワイヤをボビンから引き出し、金属棒の押し付け等による加工を施し、所定の長さでカットすることによって、予め第1湾曲部23及び第2湾曲部24,25を形成することができる。ワイヤ部材20がCuワイヤである場合、ワイヤ部材20の表面が酸化し、第2接合材33に対する濡れ性が低下し、第2接合材33にボイドが発生し易くなる可能性が有る。この場合、半導体装置100の組み立て工程は、Cuの酸化を抑制可能な、水素やギ酸等の還元雰囲気の下で行われると好適である。
For example, the
半導体装置100の組み立て工程では、ステップS801に示すように、第2導体板34を用意し、ステップS802に示すように、第2導体板34の上にワイヤ部材20を載置する。ワイヤ部材20は、第1湾曲部23を有するため、第2導体板34の姿勢が傾斜していても転がったりすることなく、横方向の移動が規制され、所望の位置に対して適切に位置決めされる。
In the process of assembling the
次に、ステップS803に示すように、第2導体板34及びワイヤ部材20に対して、溶融した第2接合材33を供給し、半導体素子32を載置する。そして、スクラブ動作を行い、ステップS804に示すように、半導体素子32に対して、上から荷重を加える。これにより、半導体素子32及び第2導体板34に対する第2接合材33の濡れ性が向上し得る。そして、半導体装置100の組み立て工程では、第2接合材33を固化させ、半導体素子32と第2導体板34とを接合する。第2接合材33の厚さは、ワイヤ部材20のワイヤ径と第2湾曲部24,25の撓み量との合計値で調整される。
Next, as shown in step S803, the molten
次に、ステップS805に示すように、半導体素子32の上に、溶融した第1接合材31を供給し、第1導体板30を載置する。この際、スクラブ動作等を行い、半導体素子32及び第1導体板30に対する第1接合材31の濡れ性を向上させる。半導体素子32には、スクラブ動作と第1導体板30の重さとによって、上から荷重が加わる。それにより、半導体素子32は、第1電極面44から第2電極面45へ向かう方向に撓もうとするが、ワイヤ部材20のワイヤ径と縦方向の撓み量に伴う弾性力とによって、半導体素子32の撓む挙動が規制される。
Next, as shown in step S805, the molten
そして、ステップS806に示すように、第1接合材31を固化させ、半導体素子32と第1導体板30とを接合する。ステップS806が完了すると、半導体装置100の組み立て工程が終了する。
Then, as shown in step S806, the
なお、ステップS802では、ワイヤ部材20を第2導体板34の上に載置するだけでなく、超音波接合方式等のワイヤボンディング装置を用いて、ワイヤ部材20を第2導体板34の上に固定してもよい。また、第2接合材33の固化は、ステップS806において第1接合材31の固化と同一のプロセスで行われてもよい。
Note that in step S802, the
ここで、従来のようにワイヤ部材20が直線ワイヤである場合、半導体素子32を適切な姿勢で位置決めするため、直線ワイヤが複数個必要である。この場合、半導体装置100の組み立て工程では、ワイヤカット動作が複数回必要となる。また、従来のようにワイヤ部材20の代わりに球状のスペーサを使用する場合、半導体素子32を適切な姿勢で位置決めするため、球状のスペーサが複数個必要である。この場合、半導体装置100の組み立て工程では、スペーサを載置する動作が複数回必要となる。
Here, when the
これに対して、本実施形態の半導体装置100では、ワイヤ部材20が第1湾曲部23を有することから、1個のワイヤ部材20であっても、第2電極面45の角部等の縁部及び中央部において半導体素子32と接触させることができる。本実施形態に係る半導体装置100の組み立て工程では、ワイヤ部材20が1個で足り、ワイヤカット動作が1回で足りる。それにより、半導体装置100の組み立て工程では、従来よりも組み立て工程に要する時間を短縮することができるため、半導体装置100の生産性を向上させることができる。
On the other hand, in the
[ワイヤ部材の変形例]
図9は、ワイヤ部材20の変形例1を説明するための図である。なお、図9は、図5に相当する図である。図9では、ワイヤ部材20のハッチングの図示が省略されていると共に、第1封止樹脂6の図示が省略されている。
[Example of modification of wire member]
FIG. 9 is a diagram for explaining modification example 1 of the
ワイヤ部材20は、図9に示すように、縦方向から視て、「S字」状を成すように形成されてもよい。図9に示すワイヤ部材20では、図5に示すワイヤ部材20と同様に、2つの第1湾曲部23を有するため、組み立て工程において、ワイヤ部材20が第2導体板34上で転がったり、半導体素子32がワイヤ部材20上で滑ったりすることを抑制することができる。
As shown in FIG. 9, the
更に、図9に示すワイヤ部材20は、第1湾曲部23の曲率半径が、図5に示すワイヤ部材20よりも大きくなるため、第1湾曲部23の形成が容易になると共に、第1湾曲部23における剛性が小さくなり得る。このため、図9に示すワイヤ部材20は、第2電極面45に接触しても、図5に示すワイヤ部材20より第2電極面45を傷付け難くなり得る。
Furthermore, in the
図10は、ワイヤ部材20の変形例2を説明するための図である。なお、図10は、図5に相当する図である。図10では、ワイヤ部材20のハッチングの図示が省略されていると共に、第1封止樹脂6の図示が省略されている。
FIG. 10 is a diagram for explaining modification example 2 of the
ワイヤ部材20は、図10に示すように、縦方向から視て「への字」状を成すように形成されてもよい。図10に示すワイヤ部材20は、1つの第1湾曲部23を有するため、第1湾曲部23の形成が更に容易になる。
As shown in FIG. 10, the
図10に示すワイヤ部材20は、図5に示すワイヤ部材20とは異なり、重心位置26がワイヤ部材20から離れた位置に存在する。但し、図10に示すワイヤ部材20においても、図5に示すワイヤ部材20と同様に、第2導体板34に対するワイヤ部材20の接触点24aが、重心位置26を通り横方向に沿った軸から離隔した位置に存在し得る。このため、図10に示すワイヤ部材20は、例えば、重心位置26を通り横方向に沿った軸の周りに回転させようとしても、第1湾曲部23から端部21まで延びる部分が第2導体板34に接触するため、ワイヤ部材20の転がりを抑制することができる。
The
そして、図10に示すワイヤ部材20は、図5に示すワイヤ部材20と同様に、第2導体板34との接触面積を増加させるため、縦方向に沿った軸の周りのワイヤ部材20の回転を抑制することができる。更に、図10に示すワイヤ部材20は、図5に示すワイヤ部材20と同様に、第1湾曲部23から端部21まで延びる部分が、第2電極面45との接触面積を増加させるため、半導体素子32の滑りを抑制することができる。
Similarly to the
よって、図10に示すワイヤ部材20では、図5に示すワイヤ部材20と同様に、組み立て工程において、ワイヤ部材20が第2導体板34上で転がったり、半導体素子32がワイヤ部材20上で滑ったりすることを抑制することができる。
Therefore, in the
図11は、ワイヤ部材20の変形例3を説明するための図である。なお、図11は、図5に示すD-D線にて半導体装置100を横方向から視た矢視図である。図11では、第1封止樹脂6の図示が省略されている。
FIG. 11 is a diagram for explaining a third modification of the
ワイヤ部材20は、図11に示すように、横方向から視て螺旋状を成すように形成されてもよい。ワイヤ部材20は、螺旋軸61が横方向に沿って延び、螺旋軸61の周りを回転しながら横方向に沿って延びるように形成される。
As shown in FIG. 11, the
図11に示すワイヤ部材20においても、図6に示すワイヤ部材20と同様に、第2電極面45と交差する方向に湾曲する第2湾曲部24,25を有する。そして、図11に示すワイヤ部材20においても、図6に示すワイヤ部材20と同様に、第2導体板34に対するワイヤ部材20の接触点24aと、第2電極面45に対するワイヤ部材20の接触点25aとが、縦方向に沿った同一直線上に配置されず、横方向の位置が異なる位置となるよう分散して配置される。このため、図11に示すワイヤ部材20においても、図6に示すワイヤ部材20と同様に、弾性体(ばね)として作用し得るため、第2電極面45と接触する際に第2電極面45を傷付けることを抑制することができる。
Similarly to the
[その他]
なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記の実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
[others]
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications. For example, the above-described embodiments have been described in detail to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and the present invention is not necessarily limited to having all the configurations described. Furthermore, it is possible to replace a part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment, and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. Furthermore, it is possible to add, delete, or replace some of the configurations of each embodiment with other configurations.
また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テープ、ファイルなどの情報は、メモリや、ハードディスク、SSD(Solid State Drive)等の記録装置、又は、ICカード、SDカード、DVD等の記録媒体に置くことができる。 Further, each of the above-mentioned configurations, functions, processing units, processing means, etc. may be partially or entirely realized in hardware by designing, for example, an integrated circuit. Furthermore, each of the above configurations, functions, etc. may be realized by software by a processor interpreting and executing a program for realizing each function. Information such as programs, tapes, and files that implement each function can be stored in a memory, a recording device such as a hard disk, an SSD (Solid State Drive), or a recording medium such as an IC card, SD card, or DVD.
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。 Further, the control lines and information lines are shown to be necessary for explanation purposes, and not all control lines and information lines are necessarily shown in the product. In reality, almost all components may be considered to be interconnected.
20…ワイヤ部材 21…端部
23…第1湾曲部 24,25…第2湾曲部
24a,25a…接触点 26…重心位置
27…開放部 30…第1導体板
31…第1接合材 32…半導体素子
33…第2接合材 34…第2導体板
44…第1電極面 45…第2電極面
100…半導体装置
20...
Claims (6)
前記第1電極面に第1接合材を介して接合される第1導体板と、
前記第2電極面に第2接合材を介して接合される第2導体板と、
前記第2電極面と前記第2導体板との間に設けられるワイヤ部材と
を備え、
前記ワイヤ部材は、1本の湾曲した金属ワイヤによって構成され、前記第2導体板に載置された状態で前記第2接合材の内部に埋設されており、
前記ワイヤ部材は、前記第2電極面に沿った方向に湾曲する複数の第1湾曲部を有し、
前記ワイヤ部材は、前記第2電極面に沿った方向において前記第2電極面の中央部から外部に向かう少なくとも2つの方向に開放されており、
前記2つの方向は、互いに反対向きである
ことを特徴とする半導体装置。 a semiconductor element having a first electrode surface formed on one surface and a second electrode surface formed on the other surface opposite to the one surface;
a first conductor plate bonded to the first electrode surface via a first bonding material;
a second conductor plate bonded to the second electrode surface via a second bonding material;
a wire member provided between the second electrode surface and the second conductor plate,
The wire member is composed of one curved metal wire, and is buried inside the second bonding material while being placed on the second conductor plate,
The wire member has a plurality of first curved portions that curve in a direction along the second electrode surface,
The wire member is open in at least two directions extending outward from a central portion of the second electrode surface in a direction along the second electrode surface,
the two directions are opposite to each other
A semiconductor device characterized by:
前記第2湾曲部は、前記第2電極面から前記第1電極面に向かう方向に湾曲する部分において前記第2電極面に接触する接触点と、前記第1電極面から前記第2電極面に向かう方向に湾曲する部分において前記第2導体板に接触する接触点とを有し、
前記第2電極面に接触する前記接触点と、前記第2導体板に接触する前記接触点とは、前記ワイヤ部材の軸線に沿って交互且つ等間隔に配置される
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 The wire member has a second curved portion that curves in a direction intersecting the second electrode surface,
The second curved portion has a contact point that contacts the second electrode surface at a portion that curves in a direction from the second electrode surface toward the first electrode surface, and a contact point that contacts the second electrode surface from the first electrode surface to the second electrode surface. a contact point that contacts the second conductor plate at a portion that curves in the direction toward the second conductor plate;
The contact points that contact the second electrode surface and the contact points that contact the second conductor plate are arranged alternately and at equal intervals along the axis of the wire member.
The semiconductor device according to claim 1, characterized in that:
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 The wire member is provided in a region that overlaps with a bonding surface of the first bonding material to the first electrode surface when viewed from a direction perpendicular to the second electrode surface. Semiconductor equipment.
前記第2電極面に対する前記ワイヤ部材の前記接触点は、前記第2電極面に直交する方向から視て多角形の頂点を成す位置に配置され、
前記第2導体板に対する前記ワイヤ部材の前記接触点は、前記第2電極面に直交する方向から視て多角形の頂点を成す位置に配置される
ことを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。 The wire member contacts the second electrode surface at at least three points, and contacts the second conductive plate at at least three points,
The contact point of the wire member with respect to the second electrode surface is located at a position that forms an apex of a polygon when viewed from a direction perpendicular to the second electrode surface,
The semiconductor according to claim 2 , wherein the contact point of the wire member with the second conductor plate is located at a position that forms an apex of a polygon when viewed from a direction perpendicular to the second electrode surface. Device.
ことを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。 5. The semiconductor device according to claim 4 , wherein an end of the wire member is spaced apart from the second electrode surface.
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein a material of the wire member has a hardness smaller than a material of the second electrode surface.
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