JP2019009280A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置において、導体スペーサの上面から側面を介して下面まではんだが繋がることを防止する。【解決手段】半導体装置１０は、上面電極１４及び下面電極１６を有する半導体素子１２と、半導体素子１２の上面電極１４とはんだ３０を介して接合される導体スペーサ１８と、導体スペーサ１８の上面１８ａとはんだ２８を介して接合される上面側導体板２０と、半導体素子１２の下面電極１６とはんだ３２を介して接合される下面側導体板２２とを備える。導体スペーサ１８の側面１８ｃには、側方に突出する塞き止め部２４が、導体スペーサ１８を一巡するように設けられている。【選択図】図１

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、上面電極及び下面電極を有する半導体素子と、上面電極とはんだを介して接合される導体スペーサと、導体スペーサの上面とはんだを介して接合される上面側導体板と、下面電極とはんだを介して接合される下面側導体板とを備える。

特開２０１６−４６４９７号公報

上記した半導体装置の製造工程では、半導体素子と導体スペーサとの間や、導体スペーサと上面側導体板との間が、はんだ付けによって互いに接合される。これらの構成部品のはんだ付けにおいて、導体スペーサの上面や下面に位置するはんだが、導体スペーサの側面へと濡れ広がることがあり、場合によっては、導体スペーサの上面から側面を介して下面まで、はんだが一連に繋がってしまうことがある。ここで、はんだと導体スペーサとの間では、線膨張係数が互いに異なる。従って、導体スペーサの上面から下面まではんだが繋がってしまうと、半導体装置の使用時において導体スペーサの熱膨張量が不均一となり得る。その結果、導体スペーサからはんだを介して半導体素子へ局所的に大きな応力が作用して、例えば半導体素子の上面電極にクラックが生じるおそれがある。このような実情を鑑み、本明細書では、導体スペーサの上面から側面を介して下面まではんだが繋がることを防止し得る技術を提供する。

本明細書が開示する半導体装置は、上面電極、及び下面電極を有する半導体素子と、半導体素子の上面電極とはんだを介して接合される導体スペーサと、導体スペーサの上面とはんだを介して接合される上面側導体板と、半導体素子の下面電極とはんだを介して接合される下面側導体板とを備える。導体スペーサの側面には、側方に突出する塞き止め部が、導体スペーサを一巡するように設けられている。

上記した半導体装置では、導体スペーサの側面に塞き止め部が設けられている。塞き止め部は、導体スペーサの側面から側方に突出しており、かつ、導体スペーサを一巡するように設けられている。このような構成によると、導体スペーサの上面や下面に配置されたはんだが、導体スペーサの側面へと濡れ広がったとしても、その濡れ広がりは塞き止め部において塞き止められる。これにより、導体スペーサの上面から側面を介して下面まではんだが繋がるようなことが抑制される。

半導体装置１０の断面図である。 導体スペーサ１８を単体で示す平面図である。 図１中のＩＩＩ部を拡大した図である。 導体スペーサ１８及び塞き止め部２４の一変形であって、（Ａ）は平面図を示し、（Ｂ）は断面図を示す。 導体スペーサ１８及び塞き止め部２４の他の一変形であって、（Ａ）は平面図を示し、（Ｂ）は断面図を示す。

図面を参照して、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。図１に示すように、半導体装置１０は、半導体素子１２、導体スペーサ１８、上面側導体板２０、下面側導体板２２、及びモールド樹脂２６を備える。半導体素子１２は、モールド樹脂２６内に封止されている。モールド樹脂２６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２６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、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、導体スペーサ１８の下面１８ｂにはんだ３０を介して接合されている。下面電極１６は、半導体素子１２の下面１２ｂに位置し、下面側導体板２２の上面２２ａにはんだ３２を介して接合されている。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。

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２６内に位置している。導体スペーサ１８の上面１８ａは、上面側導体板２０の下面２０ｂとはんだ２８を介して接続されている。前述したように、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３０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２０に電気的に接続されている。

上面側導体板２０及び下面側導体板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。上面側導体板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、上面側導体板２０の下面２０ｂは、モールド樹脂２６の内部において、導体スペーサ１８の上面１８ａとはんだ２８を介して接合されている。一方、上面側導体板２０の上面２０ａは、モールド樹脂２６の外部に露出している。上面側導体板２０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で発生した熱を外部に放出する放熱板としても機能する。

同様に、下面側導体板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。下面側導体板２２の上面２２ａは、モールド樹脂２６の内部において、半導体素子１２の下面電極１６とはんだ３２を介して接合されている。これにより、下面側導体板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２２の下面２２ｂは、モールド樹脂２６の外部に露出している。下面側導体板２２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で発生した熱を外部に放出する放熱板としても機能する。即ち、本実施例の半導体装置１０は、モールド樹脂２６の両面に放熱板がそれぞれ露出する両面冷却構造を有する。

図１−図３に示すように、本実施例の半導体装置１０は、塞き止め部２４をさらに備える。塞き止め部２４は、導体スペーサ１８の側面１８ｃに設けられており、導体スペーサ１８の側面１８ｃから側方（側面１８ｃに対して垂直な方向）に突出している。また、塞き止め部２４は、導体スペーサ１８の側面１８ｃに沿って導体スペーサ１８を一巡している。塞き止め部２４の厚みは、導体スペーサ１８の厚みよりも薄く、導体スペーサ１８の厚み方向の中心付近に配置されている。このように、塞き止め部２４は、導体スペーサ１８を側方から取り囲む枠状の部材である。一例ではあるが、平面視したときの塞き止め部２４の外形寸法は、導体スペーサ１８の外形寸法よりも１ｍｍ〜３ｍｍ程度大きいとよい。

半導体装置１０の製造工程では、半導体素子１２と導体スペーサ１８との間や、導体スペーサ１８と上面側導体板２０との間が、はんだ付けによって互いに接合される。これらの構成部品のはんだ付けにおいて、導体スペーサ１８の上面１８ａや下面１８ｂに位置するはんだ２８、３０が、導体スペーサ１８の側面１８ｃへと濡れ広がることがあり、場合によっては、導体スペーサ１８の上面１８ａから側面１８ｃ介して下面１８ｂまで、はんだ２８、３０が一連に繋がってしまうことがある。ここで、はんだ２８、３０と導体スペーサ１８との間では、線膨張係数が互いに異なる。従って、導体スペーサ１８の上面１８ａから下面１８ｂまではんだ２８、３０が繋がってしまうと、半導体装置１０の使用時において導体スペーサ１８の熱膨張量が不均一となり得る。その結果、導体スペーサ１８からはんだ３０を介して半導体素子１２へ局所的に大きな応力が作用して、例えば半導体素子１２の上面電極１４にクラックが生じるおそれがある。

上記の問題に関して、本実施例の半導体装置１０では、導体スペーサ１８の側面１８ｃに塞き止め部２４が設けられている。塞き止め部２４は、導体スペーサ１８の側面１８ｃから側方に突出しており、かつ、当該側面１８ｃに沿って導体スペーサ１８を一巡するように設けられている。このような構成によると、導体スペーサ１８の上面１８ａや下面１８ｂに配置されたはんだ２８、３０が、導体スペーサ１８の側面１８ｃへと濡れ広がったとしても、その濡れ広がりは塞き止め部２４において塞き止められる。これにより、導体スペーサ１８の上面１８ａから側面１８ｃを介して下面１８ｂまではんだ２８、３０が繋がるようなことが抑制される。

塞き止め部２４は、例えば一次インサート成形によって導体スペーサ１８上に成形することができる。あるいは別途用意した枠状の塞き止め部２４を、圧入によって導体スペーサ１８に固定してもよい。塞き止め部２４は、少なくともその表面２４ａが、はんだ２８、３０と親和性が低い材料で構成されるとよく、例えば樹脂等で構成することができる。塞き止め部２４のはんだ２８、３０に対する親和性が低いと、塞き止め部２４上におけるはんだ２８、３０の表面張力が高くなり、はんだの濡れ広がりが塞き止め部２４において効果的に抑制される。また、塞き止め部２４は、少なくともその表面２４ａが、モールド樹脂２６と同一の材料又は親和性の高い材料で構成されとよい。塞き止め部２４の表面２４ａとモールド樹脂２６が化学的に接着又は一体化されることで、例えば半導体装置１０の耐久性が向上する。また塞き止め部２４は、はんだリフロー工程において熱分解されない程度の耐熱性を有し、かつ、モールド成形工程においてモールド樹脂２６成形時に発生する応力によって破壊されない程度の強度を有する材料で構成されるとよい。

図３に示すように、本実施例の半導体装置１０では、半導体素子１２の上面電極１４が、二層構造を有している。即ち、上面電極１４は、第１電極層３４と、第１電極層３４上に積層された第２電極層３６とを備える。加えて、半導体素子１２は、その上面１２ａに保護膜３８を備えている。保護膜３８は、半導体素子１２の上面１２ａの外周縁に沿って枠状に伸びており、第１電極層３４の外周部分を覆っている。枠状に延びる保護膜３８は、その内周縁３８ａによって、第１電極層３４を露出させる開口を画定している。保護膜３８は絶縁性を有する樹脂材料であって、例えば、ポリイミドなどを用いて構成される。保護膜３８は半導体素子１２の耐圧を維持する機能、及び半導体素子１２に異物が接触することを防止する機能を有する。

第１電極層３４は、半導体素子１２の上面１２ａに沿って形成されており、半導体素子１２と電気的に接続される。第１電極層３４の材料には、例えばアルミニウム（Ａｌ）や、アルミニウムとシリコン（Ｓｉ）を含むアルミニウム合金等を用いることができる。第２電極層３６は、保護膜３８の開口から露出する第１電極層３４上に積層されており、その外周部分は保護膜３８上に広がっている。第２電極層３６の材料には、例えばニッケル（Ｎｉ）を用いることができる。はんだ３０は、第２電極層３６上に設けられている。保護膜３８の内周縁３８ａには、第１電極層３４、第２電極層３６及び保護膜３８の三者が集合している。即ち、保護膜３８の内周縁３８ａには、異なる三種の材料が互いに接する部分が存在する。以下、この３種の材料が互いに接する部分を三重点３８ａと称する。

上記したように、半導体装置１０に形成される三重点３８ａでは、三種の材料が集合している。三種の材料は、互いに線膨張係数が異なることから、半導体装置１０が動作して発熱したときに、それらに生じる熱膨張量も互いに異なる。その結果、三重点３８ａでは局所的に大きな応力が作用して、例えば半導体素子１２の第１電極層３４にクラックが生成されるおそれがある。このような三重点３８ａが存在する半導体素子１２に対して、上述したはんだ２８、３０の濡れ広がりに起因する局所的な応力がさらに作用すれば、クラックの生成がさらに助長されてしまう。特に、導体スペーサ１８上のはんだ２８の濡れ広がりにより、はんだ２８、３０が三重点３８ａ上に厚く載ってしまうと、導体スペーサ１８の熱変形による熱応力が三重点３８ａにより集中し易くなる。これらの点に関して、半導体素子１２が三重点３８ａを有する場合は、本明細書が開示する技術、即ち、塞き止め部２４によってはんだ２８、３０の繋がりを防止する技術を、より効果的に採用することができる。

図４を参照して、導体スペーサ１８及び塞き止め部２４の一変形例について説明する。図４は、本変形例の導体スペーサ１１８及び塞き止め部１２４であって、（Ａ）はその平面図を示し、（Ｂ）はその断面図を示す。導体スペーサ１１８の側面１１８ｃには凹部１１８ｄが形成されている。塞き止め部１２４は導体スペーサ１１８の凹部１１８ｄに一部埋め込まれている。本変形例においても、塞き止め部１２４は、導体スペーサ１１８の側面１１８ｃから側方（側面１１８ｃに対して垂直方向）に突出しており、かつ、導体スペーサ１１８の側面１１８ｃに沿って一巡するように設けられている。さらに、塞き止め部１２４の厚みは導体スペーサ１１８の厚みよりも薄く、厚み方向の中心部周辺に配置される。このような構成によると、導体スペーサ１１８の側面１１８ｃにおいて、塞き止め部１２４の位置がより確実に固定される。これにより、例えばモールド樹脂２６の成形工程において、塞き止め部１２４の位置ずれを抑制することができる。塞き止め部１２４は、はんだ２８、３０と親和性が低い材料であって、例えば樹脂等で構成されることができる。

図５を参照して、導体スペーサ１８及び塞き止め部２４の他の一変形例について説明する。図５は、本変形例の導体スペーサ２１８及び塞き止め部２２４であって、（Ａ）はその平面図を示し、（Ｂ）はその断面図を示す。図４に示す変形例と同様に、本変形例の導体スペーサ２１８にも、その側面２１８ｃに凹部１１８ｄが形成されており、塞き止め部２２４が、導体スペーサ２１８の凹部２１８ｄに一部埋め込まれている。本変形例においても、塞き止め部２２４は、導体スペーサ２１８の側面２１８ｃから側方（側面２１８ｃに対して垂直方向）に突出しており、かつ、導体スペーサ２１８の側面２１８ｃに沿って一巡するように設けられている。塞き止め部２２４の厚みは導体スペーサ２１８の厚みよりも薄く、厚み方向の中心部周辺に配置される。

本変形例の塞き止め部２２４は、本体２２４ａとその本体２２４ａの表面を覆う被覆層２２４ｂを有する。本体２２４ａは、例えば金属といった線膨張係数の低い材料で構成するとよく、それによって導体スペーサ２１８の見かけの熱膨張量を抑制することができる。導体スペーサ２１８の見かけの熱膨張量が抑制されると、はんだ３０や半導体素子１２に作用する応力が低減され、例えば半導体装置１０の耐久性が向上する。一方、被覆層２２４ｂは、例えば樹脂といった、モールド樹脂２６と同一又は親和性の高い材料で構成することができる。このような材料を用いた場合、被覆層２２４ｂとはんだとの親和性も低くなり、はんだの濡れ広がりも抑制し得る。あるいは、被覆層２２４ｂは、本体２２４ａを構成する金属を酸化させた酸化膜であってもよい。このような構成によると、本体２２４ａの表面を酸化させることで被覆層２２４ｂを形成することができ、二層構造を有する塞き止め部２２４を製造し易い。

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、２１８：導体スペーサ
１８ａ：導体スペーサの上面
１８ｂ：導体スペーサの下面
１８ｃ、１１８ｃ、２１８ｃ：導体スペーサの側面
２０：上面側導体板
２０ａ：上面側導体板の上面
２０ｂ：上面側導体板の下面
２２：下面側導体板
２２ａ：下面側導体板の上面
２２ｂ：下面側導体板の下面
２４、１２４、２２４：塞き止め部
２４ａ：塞き止め部の表面
２６：モールド樹脂
２８、３０、３２：はんだ
３４：第１電極層
３６：第２電極層
３８：保護膜
３８ａ：保護膜の内周縁（三重点）
１１８ｄ、２１８ｄ：導体スペーサの凹部
２２４ａ：塞き止め部の本体
２２４ｂ：塞き止め部の被覆層

Claims (1)

1. 上面電極及び下面電極を有する半導体素子と、
   前記上面電極とはんだを介して接合される導体スペーサと、
   前記導体スペーサの上面とはんだを介して接合される上面側導体板と、
   前記下面電極とはんだを介して接合される下面側導体板と、
   を備えており、
   前記導体スペーサの側面には、側方に突出する塞き止め部が、前記導体スペーサを一巡するように設けられている、半導体装置。

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