JP5218009B2

JP5218009B2 - 半導体装置

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Publication number: JP5218009B2
Application number: JP2008319392A
Authority: JP
Inventors: 良成池田
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2008-12-16
Filing date: 2008-12-16
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2028-12-16
Also published as: JP2010147053A

Description

本発明は半導体装置に関し、特にパワー半導体素子を備えた半導体装置に関する。

パワーモジュールでは、回路基板上に半導体素子（パワー半導体素子）を半田付けし、当該半導体素子の電極と回路基板の電気的な接続をワイヤボンディングにより実施するのが一般的である。

また、最近では、ワイヤボンディングによらず、配線経路としてリードフレームを半導体素子の電極、回路基板に半田付けする構成も提供されている（例えば、特許文献１参照）。この方法では、長時間にわたるワイヤボンディング工程を削除できるため、半導体装置の生産性が向上する。
特開２００５−１１６７０２号公報

しかしながら、上述したパワーモジュールを作動させると、半導体素子の昇降温が繰り返され、リードフレームの半田接合の部分に常時応力が印加されてしまう。このため、当該接合部分においては、クラックが発生したり、剥離が発生したりする場合もある。

このように、パワーモジュールでは、半導体素子の電極とリードフレームとの電気的接続に関し、その信頼性が損なわれるという問題があった。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、信頼性の高い半導体装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、半導体素子と、前記半導体素子の電極に加圧接触される導電板と、前記半導体素子及び前記導電板を封止する封止用部材と、を有し、前記封止用部材は、前記電極に前記導電板を加圧接触しながら前記半導体素子及び前記導電板を封止するものであって、線膨張係数が前記導電板の線膨張係数よりも小さいことを特徴とする半導体装置が提供される。

上記手段によれば、電気的接続に関し、その信頼性の高い半導体装置が実現する。

以下、本実施の形態に係る半導体装置を、図面を参照しながら詳細に説明する。
＜第１の実施の形態＞
図１は第１の実施の形態に係る半導体装置の要部断面模式図である。

図示する如く、半導体装置（半導体パッケージ）１においては、絶縁基板１０を基体とし、当該絶縁基板１０上に、錫（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）系の鉛フリーの半田層１１を介して、少なくとも一つの半導体素子２０が搭載されている。

ここで、絶縁基板１０は、絶縁板１０ａと、絶縁板１０ａの下面にＤＣＢ（Direct Copper Bonding）法で形成された金属箔１０ｂと、絶縁板１０ａの上面に同じくＤＣＢ法で形成された金属箔１０ｃを備えている。即ち、金属箔１０ｂと金属箔１０ｃは、絶縁板１０ａを隔てて、当該絶縁板１０ａの上下の主面に選択的に配置されている。

また、半導体素子２０としては、パワー半導体素子が用いられる。例えば、半導体素子２０として、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）素子、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等が使用される。また、半導体素子２０は、これらの素子に限られず、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）素子であってもよい。

そして、半導体装置１においては、半導体素子２０の一方の電極（裏面電極）２０ｂが半田層１１を介して、金属箔１０ｃに接合している。
また、半導体装置１においては、半導体素子２０の電極２０ｂが配置されている主面とは反対側の主面に配置されている、もう一方の電極（表面電極）２０ａには、リードフレーム、或いはヒートスプレッダとして機能する導電板３０が密接している。

尚、電極２０ｂは、例えば、パワー半導体素子のコレクタ（ドレイン）電極等の主電極が対応し、電極２０ａは、パワー半導体素子のエミッタ（ソース）電極等の主電極、或いはゲート電極等の制御用電極が対応する。

また、導電板３０の一部は、ベントされ、当該導電板３０は、凸状（Ω字状）の屈曲部３０ａを備えている。尚、電極２０ａと導電板３０との間には、必要に応じて、導電ペーストを介在させてもよい。

また、半導体装置１においては、絶縁基板１０、半導体素子２０及び導電板３０の保護を目的として、絶縁基板１０の主面の少なくとも一部、半導体素子２０及び導電板３０の少なくとも一部を封止用部材である封止用樹脂４０により被覆している。

そして、半導体装置１においては、封止用樹脂４０の線膨張係数が導電板３０の線膨張係数よりも低く調整されている。
例えば、導電板３０の線膨張係数は、１６ｐｐｍ／℃以上であり、封止用樹脂４０の線膨張係数は、１５ｐｐｍ／℃以下である。

このような導電板３０及び封止用樹脂４０の線膨張係数を調節することにより、半導体装置１においては、導電板３０と電極２０ａとの密接状態が維持されている。
そして、導電板３０と電極２０ａとの密接は、例えば、屈曲部３０ａを、例えば、治具（図示しない）等を用いて上方から下方に向かい押圧することによって、電極２０ａに対し導電板３０を加圧接触させながら、半導体素子２０及び導電板３０を封止用樹脂４０により封止することにより達成される。

このような構成であれば、半導体装置１を作動させて、半導体素子２０の発熱により導電板３０が膨張しても、封止用樹脂４０の線膨張係数が導電板３０の線膨張係数より低いことから、導電板３０には圧縮応力が発生する。即ち、半導体装置１の作動中において、導電板３０は、封止用樹脂４０から加圧されることになり、導電板３０と電極２０ａとの密接状態が維持される。

例えば、導電板３０としてアルミニウム（Ａｌ）を用いた場合、アルミニウムの線膨張係数は、その純度や用いられる温度範囲にもよるが、２４ｐｐｍ／℃〜２６ｐｐｍ／℃である。ここで、導電板３０が、線膨張係数２６ｐｐｍ／℃でヤング率７０００ｋｇｆ／ｍｍ²のアルミニウムであり、このような導電板３０の周りが、線膨張係数１５ｐｐｍ／℃でヤング率１０００ｋｇｆ／ｍｍ²の封止用樹脂４０で封止されている場合を想定する。この場合、導電板３０には、封止用樹脂４０との線膨張係数差、導電板３０の温度及びヤング率に応じた応力が掛かるようになる。今、温度上昇量が１００℃であると仮定すると、導電板３０と封止用樹脂４０との線膨張係数差が１１ｐｐｍ／℃であり、導電板３０のヤング率が７０００ｋｇｆ／ｍｍ²であることから、導電板３０に掛かる応力は、約８ｋｇｆ／ｍｍ²になる。導電板３０にこの程度の大きさの応力が掛かる場合には、導電板３０を封止用樹脂４０で有効に拘束することができ、導電板３０と電極２０ａとの密接状態を十分に維持することができる。

このように、導電板３０より低い線膨張係数の封止用樹脂４０を用いることにより、半導体素子２０の電極２０ａと導電板３０との電気的な接続は、半田材を用いて電極２０ａと導電板３０とを電気的に接続する方法に比べ、その接続信頼性が向上する。

また、半導体素子２０の電極２０ａと導電板３０との電気的接続に関しては、リフロー処理を必要としない。従って、リフロー処理工程、半田材の使用を省略することができ、半導体装置１の低コスト化を実現することができる。

また、上記電気的接続に係る半田のリフロー処理工程を省略できることから、半導体装置１の熱ダメージが防止される。
尚、上述した絶縁板１０ａの材質は、例えば、窒化珪素（ＳｉＮ）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の少なくとも何れかを含有するセラミック焼結体が適用される。

また、金属箔１０ｂ，１０ｃ、導電板３０の材質は、銅（Ｃｕ）を主成分とする金属が適用される。
また、半田層１１としては、上記の錫（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）系の鉛フリーの半田の他に、錫（Ｓｎ）−アンチモン（Ｓｂ）系の鉛フリー半田を用いてもよい。

また、封止用樹脂４０は、熱硬化性の樹脂であり、樹脂の材質は、例えば、エポキシ樹脂が該当する。
次に、半導体装置の変形例について説明する。尚、以下に例示する図面では、図１と同一の部材には、同一の符号を付している。

＜第２の実施の形態＞
図２及び図３は第２の実施の形態に係る半導体装置の要部断面模式図である。
半導体装置２においては、半導体素子２０の電極２０ａには、上述したように、導電板３０が密接している。また、導電板３０は、屈曲部３０ａを備えている。

また、半導体装置２においては、絶縁基板１０、半導体素子２０及び導電板３０の保護を目的として、絶縁基板１０の主面の少なくとも一部、半導体素子２０及び導電板３０の少なくとも一部を封止用樹脂４０により被覆している。

また、半導体装置２においては、上述したように、封止用樹脂４０の線膨張係数が導電板３０の線膨張係数よりも低く調整されている。
このような導電板３０及び封止用樹脂４０の線膨張係数を調節することにより、半導体装置２においては、導電板３０と電極２０ａとの密接状態が維持されている。

そして、当該密接は、例えば、屈曲部３０ａを治具（図示しない）を用いて、上方から下方に向かい押圧することによって、電極２０ａに対し導電板３０を加圧接触させながら、半導体素子２０及び導電板３０を封止用樹脂４０により封止することにより達成される。

これにより、半導体素子２０の電極２０ａと導電板３０との電気的な接続は、半田材を用いて電極２０ａと導電板３０とを電気的に接続する方法に比べ、その接続信頼性が向上する。

また、半導体素子２０の電極２０ａと導電板３０との電気的接続に関しては、リフロー処理を必要としない。従って、リフロー処理工程、半田材の使用を省略することができ、半導体装置２の低コスト化を実現することができる。

また、上記電気的接続に係る半田のリフロー処理工程を省略できることから、半導体装置２の熱ダメージが防止される。
特に、半導体装置２においては、電極２０ａに接触させる導電板３０の表面にディンプル加工を施し、導電板３０の当該表面に突起部３０ｂを配置している。即ち、電極２０ａに接触する導電板３０の部分に、突起部３０ｂが形成されている。そして、突起部３０ｂを電極２０ａに圧入している。

これにより、導電板３０と電極２０ａとの接触面積を第１の実施の形態に比べ増大させることができる。また、突起部３０ｂの電極２０ａへの圧入により、導電板３０と電極２０ａとの密接を第１の実施の形態に比べより向上させることができる。

このような構成であれば、半導体素子２０の電極２０ａと導電板３０との電気的接続に関し、その接続信頼性をより向上させることができる。
尚、突起部３０ｂの形状は、図２に例示する半球状の突起とは限らない。例えば、図３に例示する三角錐状の突起部３０ｃを導電板３０に備えてもよい。このような突起部３０ｃを導電板３０に備えても、突起部３０ｂを導電板３０に備えた場合と同様の効果が得られる。

＜第３の実施の形態＞
図４は第３の実施の形態に係る半導体装置の要部断面模式図である。
半導体装置３においては、絶縁基板１０を基体とし、当該絶縁基板１０上に、半田層１１を介して、半導体素子２０，２１が搭載されている。

そして、半導体装置３においては、半導体素子２０，２１の一方の電極（裏面電極）２０ｂ，２１ｂが半田層１１を介して、金属箔１０ｃに接合している。
また、半導体素子２０，２１の電極２０ｂ，２１ｂが配置されている主面とは反対側の主面に配置されている、もう一方の電極（表面電極）２０ａ，２１ａには、導電板３０が架橋するように、当該電極２０ａ，２１ａに密接している。尚、導電板３０は、屈曲部３０ａを備えている。

ここで、半導体素子２１は、パワー半導体素子であり、例えば、ＩＧＢＴ素子、パワーＭＯＳＦＥＴ等が該当する。また、半導体素子２１は、ＦＷＤ素子であってもよい。
また、半導体装置３においては、導電板３０の屈曲部３０ａに、銅（Ｃｕ）を主成分とする外部端子３１が密接している。

また、半導体装置３においては、絶縁基板１０、半導体素子２０，２１、導電板３０及び外部端子３１の保護を目的として、絶縁基板１０の主面の少なくとも一部、半導体素子２０，２１、導電板３０の少なくとも一部及び外部端子３１の少なくとも一部を封止用樹脂４０により被覆している。

また、半導体装置３においては、上述したように、封止用樹脂４０の線膨張係数が導電板３０及び外部端子３１の線膨張係数よりも低く調整されている。例えば、導電板３０及び外部端子３１の線膨張係数は、１６ｐｐｍ／℃以上であり、封止用樹脂４０の線膨張係数は、１５ｐｐｍ／℃以下である。

このような導電板３０、外部端子３１及び封止用樹脂４０の線膨張係数を調節することにより、半導体装置３においては、導電板３０と電極２０ａ，２１ａとの密接状態、導電板３０と外部端子３１との密接状態が維持されている。

そして、これらの密接は、例えば、外部端子３１を用いて、屈曲部３０ａを上方から下方に向かい押圧することにより、電極２０ａ，２１ａに対し導電板３０を加圧接触させながら、半導体素子２０，２１、導電板３０及び外部端子３１を封止用樹脂４０により封止することにより達成される。

このような構成であれば、半導体装置３を作動させて、半導体素子２０，２１の発熱により導電板３０及び外部端子３１が膨張しても、封止用樹脂４０の線膨張係数が導電板３０及び外部端子３１の線膨張係数より低いことから、導電板３０及び外部端子３１には圧縮応力が発生する。即ち、半導体装置３の作動中において、導電板３０及び外部端子３１は、封止用樹脂４０から加圧されることになる。その結果、導電板３０と電極２０ａ，２１ａとの密接状態が維持される。また、導電板３０と外部端子３１との密接状態が維持される。

これにより、半導体素子２０，２１の電極２０ａ，２１ａと導電板３０との電気的な接続は、半田材を用いて電極２０ａ，２１ａと導電板３０とを電気的に接続する方法に比べ、その接続信頼性が向上する。

また、半導体素子２０，２１の電極２０ａ，２１ａと導電板３０との電気的接続に関しては、リフロー処理を要しない。従って、リフロー処理工程、半田材の使用を省略することができ、半導体装置３の低コスト化を実現することができる。

また、上記電気的接続に係る半田のリフロー処理工程を省略できることから、半導体装置３の熱ダメージが防止される。
＜第４の実施の形態＞
図５は第４の実施の形態に係る半導体装置の要部断面模式図である。

半導体装置４においては、絶縁基板１０を基体とし、当該絶縁基板１０上に、半田層１１を介して、半導体素子２０，２１が搭載されている。
半導体装置４においては、半導体素子２０，２１の電極２０ｂ，２１ｂが半田層１１を介して、金属箔１０ｃに接合している。また、半導体素子２０，２１の電極２０ａ，２１ａには、導電板３０が密接している。尚、導電板３０は、屈曲部３０ａを備えている。

また、半導体装置４においては、導電板３０の屈曲部３０ａに、銅（Ｃｕ）を主成分とする外部端子３２が密接している。また、外部端子３２の端部３２ｅが屈曲部３０ａを挟持している。

そして、半導体装置４においては、絶縁基板１０の主面の少なくとも一部、半導体素子２０，２１、導電板３０の少なくとも一部及び外部端子３２の少なくとも一部を、封止用樹脂４０により被覆している。

また、半導体装置４においては、上述したように、封止用樹脂４０の線膨張係数が導電板３０及び外部端子３２の線膨張係数よりも低く調整されている。例えば、導電板３０及び外部端子３２の線膨張係数は、１６ｐｐｍ／℃以上であり、封止用樹脂４０の線膨張係数は、１５ｐｐｍ／℃以下である。

このような導電板３０、外部端子３２及び封止用樹脂４０の線膨張係数を調節することにより、半導体装置４においては、導電板３０と電極２０ａ，２１ａとの密接状態、導電板３０と外部端子３２との密接状態が維持されている。

これらの密接は、例えば、外部端子３２を用いて、屈曲部３０ａを上方から下方に向かい押圧することにより、電極２０ａ，２１ａに対し導電板３０を加圧接触させながら、半導体素子２０，２１、導電板３０及び外部端子３２を封止用樹脂４０により封止することにより達成される。

また、半導体素子２０，２１の電極２０ａ，２１ａと導電板３０との電気的接続に関しては、リフロー処理を要しない。従って、リフロー処理工程、半田材の使用を省略することができ、半導体装置４の低コスト化を実現することができる。

また、上記電気的接続に係る半田のリフロー処理工程を省略できることから、半導体装置４の熱ダメージが防止される。
特に、半導体装置４においては、外部端子３２の端部３２ｅが屈曲部３０ａを挟持していることから、端部３２ｅが封止用樹脂４０により上下の方向から加圧される。これにより、屈曲部３０ａと端部３２ｅとの接触強度がより向上する。

＜第５の実施の形態＞
図６は第５の実施の形態に係る半導体装置の要部断面模式図である。
この図では、導電板３０と外部端子３１との接触状態が例示されている。図示するように、外部端子３１の端部３１ｅには、当該端部３１ｅから延在させた突起部３１ｂが複数本配置され、当該突起部３１ｂが屈曲部３０ａに形成された貫通孔３０ｈに貫通している。

このような構成であれば、外部端子３１の端部３１ｅが封止用樹脂４０により加圧されると共に、外部端子３１の導電板３０に対する位置決めが確実になされる。従って、外部端子３１と導電板３０との電気的接続に関し、その信頼性がより向上する。

第１の実施の形態に係る半導体装置の要部断面模式図である。第２の実施の形態に係る半導体装置の要部断面模式図である（その１）。第２の実施の形態に係る半導体装置の要部断面模式図である（その２）。第３の実施の形態に係る半導体装置の要部断面模式図である。第４の実施の形態に係る半導体装置の要部断面模式図である。第５の実施の形態に係る半導体装置の要部断面模式図である。

符号の説明

１，２，３，４半導体装置
１０絶縁基板
１０ａ絶縁板
１０ｂ，１０ｃ金属箔
１１半田層
２０，２１半導体素子
２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂ電極
３０導電板
３０ａ屈曲部
３０ｂ，３０ｃ，３１ｂ突起部
３０ｈ貫通孔
３１，３２外部端子
３１ｅ，３２ｅ端部
４０封止用樹脂

Claims

半導体素子と、
前記半導体素子の電極に加圧接触される導電板と、
前記半導体素子及び前記導電板を封止する封止用部材と、
を有し、前記封止用部材は、前記電極に前記導電板を加圧接触しながら前記半導体素子及び前記導電板を封止するものであって、線膨張係数が前記導電板の線膨張係数よりも小さいことを特徴とする半導体装置。
前記電極に加圧接触する側の前記導電板の表面に、前記電極に圧入される突起部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
前記封止用部材内において、前記導電板に外部端子が加圧接触し、前記封止用部材の線膨張係数が前記外部端子の線膨張係数よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
前記封止用部材内において、前記導電板が外部端子に挟持され、前記封止用部材の線膨張係数が前記外部端子の線膨張係数よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
前記導電板に加圧接触する側の前記外部端子の表面に、突起部が形成され、前記導電板に設けられた貫通孔に前記突起部が貫通していることを特徴とする請求項３記載の半導体装置。