半導体装置
【課題】従来に比べて放熱性及び信頼性の向上が図れる半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体素子１を実装した金属部材３に絶縁シート２を介して金属シート５を設け、上記金属シートを一側面に露出させて上記半導体素子及び上記金属部材を樹脂封止して作製された半導体モジュール２０と、上記金属シートに、はんだ７０を介して接合され、上記半導体素子が発する熱を放散させる冷却装置６０とを有する半導体装置１０１において、上記金属シートは、上記はんだが接合される接合領域５２と、上記接合領域の周囲に位置し上記はんだが接触せずはんだ付けされない非接合領域５３とを有する。
【解決手段】半導体素子１を実装した金属部材３に絶縁シート２を介して金属シート５を設け、上記金属シートを一側面に露出させて上記半導体素子及び上記金属部材を樹脂封止して作製された半導体モジュール２０と、上記金属シートに、はんだ７０を介して接合され、上記半導体素子が発する熱を放散させる冷却装置６０とを有する半導体装置１０１において、上記金属シートは、上記はんだが接合される接合領域５２と、上記接合領域の周囲に位置し上記はんだが接触せずはんだ付けされない非接合領域５３とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関し、特に冷却装置を取り付けた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、発熱量の大きい半導体モジュールは、その放熱性を高めるため、グリスを介して例えば放熱フィン等の冷却装置に取り付けられている。よって冷却装置の大きさが半導体モジュール、あるいは冷却装置をも含めた半導体装置全体の大きさを決定することから、半導体モジュール等の小型軽量化を図るためには、半導体モジュール等の放熱性を向上させることが重要となる。
【０００３】
例えば特許文献１では、パワーモジュールと冷却器との間に熱伝導性グリスを浸入させるためのグリス浸入部を備える。該グリス浸入部は、グリスの浸入によるパワーモジュールの変形を抑制し、これによってグリス浸入部以外の領域におけるグリス膜厚を減少させる。これにより、パワーモジュール及び冷却器を含めた半導体装置全体の放熱性向上を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１９６５７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年では、半導体モジュール内部の放熱性が向上してきたために、半導体モジュールと冷却装置との界面におけるグリスが半導体装置全体における放熱性の律速になってきている。そこで、半導体装置全体の放熱性をより向上させるために、半導体モジュールと冷却装置とを、はんだ接合するという手法が知られている。この場合、半導体モジュールのヒートサイクルによる、はんだ接合部におけるクラック発生を防止してはんだ接合部の寿命を確保することが、製品の高信頼化の上で重要となる。
【０００６】
また、金属シートと一体化された絶縁シートを用いたトランスファーモールドタイプの半導体モジュールが上市されている。このトランスファーモールドタイプの半導体モジュールにおいても、冷却装置とはんだ接合することで、放熱性の向上を図ることができる。この場合には、半導体モジュールと冷却装置との間の、はんだ接合部の寿命確保に加えて、冷却装置とはんだ接合される金属シートと一体化された絶縁シートの寿命確保も、製品の高信頼化を実現する上で重要となる。
【０００７】
本発明は、これらの課題を解決するためになされたものであり、従来に比べて、放熱性及び信頼性の向上が図れる半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の一態様における半導体装置は、半導体素子を実装した金属部材に絶縁シートを介して金属シートを設け、上記金属シートを一側面に露出させて上記半導体素子及び上記金属部材を樹脂封止して作製された半導体モジュールと、上記金属シートに、はんだを介して接合され、上記半導体素子が発する熱を放散させる冷却装置とを有する半導体装置において、上記金属シートは、上記はんだが接合される接合領域と、上記接合領域の周囲に位置し上記はんだが接触せずはんだ付けされない非接合領域とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一態様における半導体装置によれば、半導体モジュールと冷却装置とは、半導体モジュールの一側面に露出した金属シートの接合領域にてはんだ付けされている。よって、グリスを介する場合と比較すると、半導体モジュールの放熱性を向上させることができる。
【００１０】
また、金属シートは、接合領域の周囲に非接合領域を有することから、絶縁シートが金属部材から剥離するときの起点となる絶縁シート端部に生じる熱応力を低減させることができる。したがって、絶縁シートの剥離を防止することができるという効果がある。
【００１１】
さらにまた、金属シートが非接合領域を有することから、金属シートの全体をはんだ付けした場合と比較して、はんだ付け面積を小さくすることができる。よって、はんだクラックによる不良を抑制することができるという効果がある。
【００１２】
以上のように、本発明の一態様における半導体装置によれば、従来に比べて、放熱性の向上が図られ、かつ、はんだ接合部及び絶縁シートの寿命を確保でき、信頼性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１による半導体装置の構成を示す断面図である。
【図２】図１に示すＡ部における半導体装置の断面図である。
【図３】図２に示すＡ部における接合領域の変形例を説明するためのＡ部における半導体装置の断面図である。
【図４】図２に示すＡ部における接合領域の他の変形例を説明するためのＡ部における半導体装置の断面図である。
【図５】図２に示すＡ部における接合領域の別の変形例を説明するためのＡ部における半導体装置の断面図である。
【図６】本発明の実施の形態２による半導体装置の構成を示す断面図である。
【図７】図６に示すＢ部における半導体装置の断面図である。
【図８】図６に示す樹脂材のＢ部における形状の変形例を示すＢ部における半導体装置の断面図である。
【図９】図６に示す樹脂材のＢ部における形状の他の変形例を示すＢ部における半導体装置の断面図である。
【図１０】図６に示す樹脂材のＢ部における形状の別の変形例を示すＢ部における半導体装置の断面図である。
【図１１】図６に示す半導体装置の別の構成を示す断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態３による半導体装置の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施形態である半導体装置について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。また、各図間の図示では、対応する各構成部のサイズや縮尺はそれぞれ独立している。例えば構成の一部を変更した図と、変更していない図との同一構成部分の図示において、同一構成部分のサイズや縮尺が異なる場合もある。また、半導体装置の構成の内、本発明の構成に必要のない部分は、図示を省略している（例えば、封止樹脂内のダイオード素子等）。
【００１５】
実施の形態１．
図１及び図２を参照して、実施の形態１による半導体装置１０１について説明する。
本実施の形態１における半導体装置１０１は、基本的構成部分として、半導体モジュール２０と、冷却装置６０とを備え、半導体モジュール２０と、冷却装置６０とは、はんだ７０にて接合されている。
【００１６】
半導体モジュール２０は、半導体素子１と、絶縁シート２と、金属ブロック３と、金属シート５と、封止樹脂８とを有する。
半導体素子１は、本実施形態ではインバータやコンバータ等を構成する電力用素子であり、材料としてはＳｉやＳｉＣ等が用いられ、一例としてＩＧＢＴ素子が相当する。半導体モジュール２０は、少なくとも１個の半導体素子１を有していればよい。
【００１７】
金属ブロック３は、金属部材の一例に相当し、半導体素子１が実装され、電極としての役割と、ヒートスプレッダとしての役割とを果たす。即ち、半導体素子１で発生した熱は、金属ブロック３の半導体素子実装面３ａから、該半導体素子実装面に対向する裏面３ｂへ金属ブロック３を伝導し、金属ブロック３は放熱性を向上させる。また、金属ブロック３には、半導体素子１との通電を行うため、主電極配線１０、１１が直接に、あるいは金属ワイヤ１５を介して電気的に接続される。
【００１８】
尚、金属ブロック３と半導体素子１とは、一例として厚さ１５０μｍにて、Ｓｎ−Ｓｂ系のＳｎ−１０Ｓｂの内はんだ４にて接合される。内はんだ４としては、例えばＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだを用いることができる。また、主電極配線１０、１１として、本実施形態ではＣｕ製リードを用いている。
【００１９】
上記役割から、金属ブロック３は、熱伝導性及び電気伝導性の良い材料が好ましく、例えばＣｕや、はんだ付け可能なようにＮｉメッキされたＡｌ等が用いられる。勿論、これらの材料に限定されず、熱及び電気を伝導する材料であれば他のものを用いてもよい。一実施例として、金属ブロック３は、厚さ３ｍｍのＣｕ材からなる。また、本実施形態では、図示するように金属ブロック３は、直方体形状のブロック形であるが、目的に応じて様々な形状を取ることができる。金属フレーム等でも良く、この場合には、主電極配線等と一体的に形成することが可能になるなどの利点がある。
【００２０】
絶縁シート２は、金属ブロック３の上記裏面３ｂに接して配置される電気絶縁性を有し、かつ放熱性に優れたシート材であり、放熱性を向上させるために、熱伝導率の大きい材料が使用される。例えばエポキシ樹脂に、高い熱伝導率を有する材料のフィラー、例えばセラミックフィラーを混合したシート構成のもの等が用いられるが、電気的な絶縁物であれば他のものを用いてもよい。このような絶縁シート２は、少なくとも、金属ブロック３の裏面３ｂに対応した形状及び面積を有し、図示するように裏面３ｂを超える大きさが好ましい。また、本実施形態では、絶縁シート２は、以下に述べる金属シート５と機械的及び熱的に接続され、一体成形されている。
【００２１】
金属シート５は、上述のように絶縁シート２と一体化され、機械的及び熱的に接続された金属製シート材である。本実施形態では、金属シート５は、絶縁シート２と同形状で絶縁シート２に接着したＣｕ箔であり、その厚さは、一例として０．１ｍｍである。しかしながら、金属シート５の材料及び形状等は、これらに限定するものではなく、絶縁シート２と一体形成されるものであればよい。例えば金属シート５の材料としては、はんだ付け可能なように処理されていればＡｌ箔等でもよい。また、半導体モジュール２０の放熱性を向上させるために、金属シート５には、熱伝導率が大きい材料を用いるのが好ましい。
【００２２】
また、金属シート５において、絶縁シート２に対向する側面で、後述する冷却装置６０に対面する露出面５ａは、上記はんだ７０が接合される接合領域５２と、該接合領域５２の周囲に位置し、はんだ７０が接触せずはんだ付けされない非接合領域５３とを有する。
【００２３】
接合領域５２の平面形状は、本実施形態では、図２に示すように、金属シート５へ金属ブロック３を投影した、点線で示す投影領域３１に等しい形状及び面積としている。しかしながら、接合領域５２の形状は、これに限定するものではなく、少なくとも投影領域３１を含み、はんだ７０によってはんだ付けされることで、冷却装置６０と機械的及び熱的に接続される機能を有するものであればよい。このように、接合領域５２を、最低限投影領域３１を含む面積とすることで、放熱性が確保される。
【００２４】
また、接合領域５２と非接合領域５３との配置は、図２に示すものに限定されず、例えば図３、図４、及び図５に示すような配置であってもよい。図３では、接合領域５２は、上記投影領域３１の面積を超える大きさを有する。また、図４では、非接合領域５３が接合領域５２の長手方向における左右側端部に配置され、図５では、非接合領域５３が接合領域５２の上記長手方向に直交する方向における上下側端部に配置された形態を示している。
【００２５】
また、接合領域５２と非接合領域５３とは、異なる材料で構成することもできる。例えば、金属シート５がはんだ付け可能な金属であった場合、非接合領域５３は、はんだ付けされないような処理を施すのが好ましい。例えば、金属シート５がＣｕ箔であった場合、接合領域５２は、Ｃｕ箔のままとし、一方、非接合領域５３は、Ａｌめっきを施す、又は、はんだレジストを設ける等しておくことが好ましい。逆に、例えば、金属シート５としてＡｌ箔を用いた場合、当該Ａｌ箔上にＮｉメッキを施すことで接合領域５２を形成し、非接合領域５３は、Ａｌ箔をそのまま用いる等であってもよい。このように、はんだ７０によるはんだ付けの際に、非接合領域５３にはんだ７０が流れないようにすることで、接合領域５２のみにてはんだ接合し、非接合領域５３でははんだ接合しないよう、はんだ７０をコントロールすることができるというメリットがある。
【００２６】
上述した、半導体素子１、絶縁シート２、金属ブロック３、及び金属シート５は、金属シート５の露出面５ａを封止樹脂８の一側面８ａに露出させて、封止樹脂８にて封止されて、半導体モジュール２０が形成される。尚、図示するように、主電極配線１０、１１の一端部分は、封止樹脂８から突出している。
【００２７】
封止樹脂８は、半導体モジュール２０の信頼性向上のために、例えば、モールド樹脂でトランスファーモールド法にて形成されていることが好ましいが、インジェクションモールドや低圧成型等の他の封止工法で形成されていてもかまわない。
【００２８】
冷却装置６０は、半導体素子１で発生した熱を放熱して半導体装置１０１全体を冷却する装置である。本実施形態では、冷却装置６０は、図１に示すように、半導体装置１０１の厚み方向６３に延在する複数の羽部材６４を形成した部材であり、表面積を大きくすることで放熱性を向上させたＡｌの放熱フィンの形態にてなる。冷却装置６０の材料及び形状は、図１に示す例に限定するものではなく、はんだ７０によって金属シート５と機械的及び熱的に接続可能で、半導体素子１で発生した熱を放散可能な形態であればよい。例えば、Ａｌ板に冷媒用流路を設けて、該流路に水等の冷媒を流すように構成した液冷フィン等でもよい。半導体装置１０１の放熱性を向上させるためには、液冷フィンの方がより好ましい。
【００２９】
冷却装置６０は、はんだ７０にて金属シート５とはんだ付けが可能なように、冷却装置６０の取付面６０ａは、例えば、上記ＡｌにＮｉメッキが施され、金属シート５の上記接合領域５２に対応するはんだ付け部６１を有する。尚、はんだ付け部６１の材料や形状は、はんだ７０によって金属シート５と冷却装置６０とが機械的及び熱的に接続される機能を有するものであればよい。例えば冷却装置６０がＣｕの放熱フィンである場合には、当該放熱フィンにおいて、接合領域５２に対応する領域のＣｕがはんだ付け部６１となる。
【００３０】
尚、本実施形態では、はんだ７０は、厚さが２００μｍであり、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕのはんだである。また、はんだ７０により、半導体モジュール２０と冷却装置６０とがはんだ付けされるときに、金属ブロック３に半導体素子１を固定した内はんだ４が溶融すると、溶融による内はんだ４の体積膨張によって半導体モジュール２０を内側から損傷させる等の不具合が懸念される。このような不具合を防止するため、内はんだ４の材料は、はんだ７０に使用する材料より融点の高い材料であることが好ましい。例えば、内はんだ４にＡｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕはんだを用いた場合には、はんだ７０には、Ｓｎ−５８Ｂｉはんだ、内はんだ４としてＳｎ−１０Ｓｂはんだを用いた場合には、はんだ７０には、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕはんだ等を用いるのが好ましい。
【００３１】
上述したような構成を有する本実施の形態１による半導体装置１０１は、樹脂封止により半導体モジュール２０を作製後、半導体モジュール２０より露出している金属シート５の露出面５ａにおける接合領域５２と、冷却装置６０の取付面６０ａにおけるはんだ付け部６１とを、はんだ７０を用いて接合することによって製造される。
【００３２】
このように作製される半導体装置１０１では、金属シート５と冷却装置６０とをはんだ７０を用いて接合しているので、金属シート５と冷却装置６０との間にグリスを用いた場合と比較して、はんだ７０はグリスより熱伝導率が大きいため、半導体装置１０１の放熱性を向上することができるというメリットがある。
【００３３】
一方、金属シート５と冷却装置６０とをはんだ７０を用いて接合することで、温度変化による金属シート５と冷却装置６０との熱膨張率の違いから生じる応力が、金属シート５の端部で最も大きくなる。そのため、半導体装置１０１の信頼性をより向上させるためには、金属シート５の端部に生じる剥離や損傷、外はんだ７に生じるはんだクラックを抑制することが重要となる。よって、半導体装置１０１の信頼性をより向上させるためには、金属シート５の端部に生じる応力を小さくすることが重要である。
【００３４】
そこで半導体装置１０１では、上述のように、はんだ７０によってはんだ接合される金属シート５の接合領域５２の周囲に非接合領域５３を設けている。これにより、金属シート５全体をはんだ接合した場合と比較して、温度変化により生じる金属シート５の端部での熱応力が低減される。よって、金属シート５が、絶縁シート２から、あるいは絶縁シート２とともに金属ブロック３から、あるいは封止樹脂８から、剥離や損傷するのを抑制することができるというメリットがある。
【００３５】
また、接合領域５２の周囲に非接合領域５３を設けることによって、金属シート５全体をはんだ接合した場合と比較して、はんだ付け面積が小さくなる。よって、温度変化によりはんだ７０に作用する熱応力が小さくなるため、はんだ７０におけるクラックの発生を抑制することができるというメリットがある。
【００３６】
また、金属シート５全体をはんだ接合した場合、特に金属シート５の四隅に生じる応力が最も大きくなるため、金属シート５の四隅が剥離、損傷、及び、はんだクラックの起点となる可能性が高い。そのため、半導体装置１０１の信頼性をより向上させるには、図３から図５に示すように、金属シート５の四隅を含むように、非接合領域５３を設けるのが好ましい。そうすることで、金属シート５の四隅に生じる熱応力を低減し、金属シート５の四隅が剥離、損傷、及びはんだクラックの起点となるのを防ぐことができる。
【００３７】
さらには、金属シート５全体をはんだ付けした場合、金属シート５と封止樹脂８との界面から絶縁シート２に向かって、はんだ付けの際に用いるフラックス成分や、あるいははんだ自体が侵入してしまい、絶縁性を劣化させることも懸念される。一方、本実施の形態の半導体装置１０１では、接合領域５２の周囲に非接合領域５３が存在することから、上記界面への上記フラックス成分等の浸入リスクを低減することができる。したがって、半導体装置１０１によれば、より高絶縁な半導体装置を提供することができる。
【００３８】
このように、本実施形態の半導体装置１０１によれば、従来の半導体装置に比べて、放熱性の向上を図ることができ、かつ信頼性の向上を図ることができる。
【００３９】
また、半導体装置１０１によれば、上述のように放熱性の向上を図ることができることから、製品の小型化、省エネ、包装の小型化を図ることができ、また、信頼性の向上を図ることができることから、製品の長寿命化を図ることにも寄与する。尚、これらの付随的効果は、以下に説明する実施の形態２、３における半導体装置の場合でも同様に得ることができる。
【００４０】
また、半導体素子１にＳｉＣを用いた場合、その特長を生かすべく、Ｓｉの場合と比較してより高温で動作させることができるが、一方、半導体装置としてより高い信頼性が求められる。そのため、ＳｉＣデバイスを搭載する半導体装置において、上述した半導体装置１０１の構成を採ることは、高信頼の半導体装置を実現する上で大きく寄与する。
【００４１】
実施の形態２．
次に、図６及び図７を参照して、本実施の形態２における半導体装置１０２について以下に説明する。
本実施の形態２における半導体装置１０２と、図１を参照し上述した半導体装置１０１との大きな相違点は、非接合領域５３の少なくとも一部分について、非接合領域５３の周囲の封止樹脂８と共に樹脂材１３で封止した点である。
以下では、上記相違点に伴う変更部分についてのみ説明を行い、上述の半導体装置１０１と同じ構成部分については、ここでの説明を省略する。
【００４２】
樹脂材１３は、非接合領域５３の少なくとも一部分に対して、非接合領域５３の周囲における封止樹脂８とともに一体として封止されるように形成される。樹脂材１３を設ける位置は、例えば図７に示すように、金属シート５の露出面５ａにおける四隅部分５１であり、非接合領域５３の一部分である。
【００４３】
例えば四隅部分５１に設けられる各樹脂材１３は、上記厚み方向６３において、概ね同じ厚みに揃えられていることが好ましく、少なくともはんだ７０の厚さ以下でなければならない。樹脂材１３の厚みを揃えることで、はんだ７０の厚みを設定でき、はんだクラックが発生するのを抑制することができる。
【００４４】
さらに、樹脂材１３は、その耐熱温度が、はんだ７０の融点より高くなければならない。本実施の形態２における半導体装置１０２では、樹脂材１３としてエポキシ樹脂等を用いているが、非接合領域５３の少なくとも一部分に対して、非接合領域５３の周囲における封止樹脂８とともに一体として封止可能な材料であれば、エポキシ樹脂以外の他の材料を用いてもかまわない。
【００４５】
さらに、樹脂材１３の形状は、図７に示すような形状に限定するものではない。つまり、図７では、上記投影領域３１に相当する部分を接合領域５２とした上で、はんだ７０によるはんだ付けの際に、はんだ７０からボイドが抜けるように、金属シート５における非接合領域５３の一部を樹脂材１３で封止しないように、樹脂材１３の形状を定めている。これに対し、例えば図８から図１０に示すような、樹脂材１３の形状を採ることもできる。
【００４６】
図８は、金属シート５の剥離の起点となる可能性が高い金属シート５の頂部近傍５１ａに対応した領域のみを覆うように、非接合領域５３の一部分に樹脂材１３を設けた形態を示している。また、図８に示す形態では、図示するように接合領域５２は、上記投影領域３１を超えて存在する。
【００４７】
図９は、金属シート５における長手方向５４における両端部５５に対応した領域のみを覆うように、非接合領域５３に樹脂材１３を設けた形態を示している。また、図９に示す形態では、非接合領域５３の全てが樹脂材１３で覆われている。
図９に示す形状によれば、金属シート５の四隅部分５１を含む端部５５を樹脂材１３で封止した上で、はんだスクラブが可能である。
【００４８】
図１０は、図９に示す形態に類似し、上記長手方向５４に直交する直交方向５４ａにおける両端部５５に対応した領域のみを覆うように、非接合領域５３に樹脂材１３を設けた形態を示している。図９に示す形態でも、非接合領域５３の全てが樹脂材１３で覆われている。
【００４９】
このように、非接合領域５３の全部または一部と、非接合領域５３の周囲の封止樹脂８とを樹脂材１３にて封止することで、金属シート５が剥離や損傷を起こす起点となる部分が封止されることになる。よって、金属シート５の端部に熱応力が生じても、金属シート５が剥離や損傷するのをさらに抑制できるというメリットがある。
【００５０】
このように、本実施の形態２における半導体装置１０２では、実施の形態１の半導体装置１０１と同様に放熱性の向上を図ることができ、かつ、半導体装置１０１よりもさらに信頼性の向上を図ることができる。
【００５１】
また、図９及び図１０に示す形態のように、非接合領域５３の全部を樹脂材１３で封止することで、はんだ７０によるはんだ付けの際に、はんだ７０が非接合領域５３に流れるのを防ぐことができるという効果がある。つまり、樹脂材１３は、はんだレジストとしての役割をするというメリットがある。
【００５２】
なお、本実施の形態２による半導体装置１０２の製造工程では、非接合領域５３と、非接合領域５３の周囲の封止樹脂８とを樹脂材１３によって封止した後、冷却装置６０と半導体モジュール２０とがはんだ７０によって接合される。よって、樹脂材１３が金属シート５の端部５５の全てを覆った場合には、はんだ７０によるはんだ付け工程において、はんだボイドが樹脂材１３によってトラップされてしまう可能性がある。したがって、金属シート５の端部５５には、樹脂材１３で封止されていない箇所が存在することが好ましい。
【００５３】
また、樹脂材１３が金属シート５の端部５５を覆っている場合では、樹脂材１３において、はんだ７０の厚さを保障するための樹脂高さが高い部位と、はんだボイドがトラップされないための樹脂高さが低い部位とがあるのが望ましい。
【００５４】
さらには、金属シート５と封止樹脂８との界面を、樹脂材１３で覆ったことから、上記界面から、フラックス成分、はんだ付け後の洗浄液成分、はんだ、及び水分等の侵入を完全に防止することができる。よって、より高絶縁な半導体装置を得ることができるというメリットがある。
【００５５】
またさらには、本半導体装置の絶縁性を担保している絶縁シート２は、樹脂を主成分としていることから、吸湿した場合に絶縁性が劣化することが懸念される。しかしながら、本実施の形態２の構成によれば、樹脂材１３を設けたことで上記界面からの水分の浸入を抑制することができ、上記懸念を大幅に低減することができる。出願人が行った実験においても、本実施の形態２の構成により、絶縁シート２の吸湿性が大幅に低減し、結果としてより高い絶縁性を確保できることを確認している。
【００５６】
また、上述した樹脂材１３の厚みについて、図１１に示す半導体装置１０２Ｂのように、冷却装置６０と半導体モジュール２０とを接合するはんだ７０にて保障したい、はんだ７０の最低厚みに一致させてもよい。このような構成を採ることで、以下の効果が得られる。
【００５７】
即ち、本実施の形態２による半導体装置１０２の製造工程では、半導体素子１を含む部材を封止樹脂８によって封止した後、樹脂材１３によって非接合領域５３と、非接合領域５３の周囲の封止樹脂８とを封止し、その後、冷却装置６０と半導体モジュール２０とがはんだ７０によって接合される。このとき、図１１に示す半導体装置１０２Ｂのように樹脂材１３の厚みをはんだ７０の最低厚みに一致させておくことで、はんだ７０を適切な量供給してはんだ付け工程を行うことによって、はんだ７０に生じるはんだクラックをより抑制することができるという効果がある。これは、樹脂材１３をはんだ７０と同じ厚みにそろえておくことで、はんだ厚の最低厚さを設定することができるからである。つまり、はんだ７０に生じる応力は、はんだ厚が薄いほど大きくなるため、はんだ厚の最低厚さを保障できることで、はんだ７０に、はんだクラックを抑制可能な厚さを必ず保持させることができるからである。
【００５８】
実施の形態３．
次に、図１２を参照して、本実施の形態３における半導体装置１０３について以下に説明する。
本実施の形態３における半導体装置１０３は、図６を参照し上述した半導体装置１０２の樹脂材１３を封止樹脂８と一体的に成形した点でのみ、半導体装置１０２と相違する。尚、本実施の形態３の半導体装置１０３において、樹脂材１３を一体成形した封止樹脂について「８０」の符号を付し、樹脂材１３に相当する部分を封止部１４とする。また、半導体装置１０３におけるその他の構成部分は、上述した半導体装置１０２における構成部分と同じであり、同じ構成部分について、ここでの説明を省略する。同様に、製造工程についても上述の半導体装置１０２と同じ部分については説明を省略する。
【００５９】
封止樹脂８０における封止部１４の上記厚み方向６３における厚みは、図６を参照した半導体装置１０２のように、はんだ７０の厚みに比べて薄い、及び、図１１を参照した半導体装置１０２Ｂのように、はんだ７０の厚みと同じ、のいずれであっても良い。また、その形状についても、図７から図１０に図示した樹脂材１３のいずれの形状を採ることができる。
【００６０】
図１２に示す半導体装置１０３のように封止部１４を一体的に成形した封止樹脂８０によれば、封止樹脂８とは別個に樹脂材１３で封止した場合と比較して、封止部１４が封止樹脂８から、より剥離しにくくなる。即ち、金属シート５の剥離や損傷の起点となる部分が封止樹脂８０と一体の封止部１４にて封止されているため、金属シート５の端部に熱応力が生じた場合でも、金属シート５が剥離や損傷するのをさらに抑制できるというメリットがある。また、封止部１４の形状は、金型により決定できるため、封止部１４を同じ厚みに揃えやすいという効果も得ることができる。
【００６１】
このように、本実施の形態３における半導体装置１０３では、上述の実施の形態１，２の半導体装置１０１等と同様に放熱性の向上を図ることができ、かつ、実施の形態２における半導体装置１０２、１０２Ｂよりもさらに信頼性の向上を図ることができる。
【００６２】
さらに、封止部１４は、封止樹脂８０と一体的に形成されるため、樹脂材１３で封止する場合と比較して、製造工程で樹脂材１３を封止する工程をなくすことができる。よって、上述の半導体装置１０１と同じ製造工程で製造することができ、新たな作業が発生することがないという効果がある。
【符号の説明】
【００６３】
１ 半導体素子、２ 絶縁シート、３ 金属ブロック、５ 金属シート、
８ 封止樹脂、１３ 樹脂材、１４ 封止部、
２０ 半導体モジュール、５２ 接合領域、５３ 非接合領域、
６０ 冷却装置、７０ はんだ、
１０１，１０２，１０２Ｂ，１０３ 半導体装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関し、特に冷却装置を取り付けた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、発熱量の大きい半導体モジュールは、その放熱性を高めるため、グリスを介して例えば放熱フィン等の冷却装置に取り付けられている。よって冷却装置の大きさが半導体モジュール、あるいは冷却装置をも含めた半導体装置全体の大きさを決定することから、半導体モジュール等の小型軽量化を図るためには、半導体モジュール等の放熱性を向上させることが重要となる。
【０００３】
例えば特許文献１では、パワーモジュールと冷却器との間に熱伝導性グリスを浸入させるためのグリス浸入部を備える。該グリス浸入部は、グリスの浸入によるパワーモジュールの変形を抑制し、これによってグリス浸入部以外の領域におけるグリス膜厚を減少させる。これにより、パワーモジュール及び冷却器を含めた半導体装置全体の放熱性向上を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１９６５７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年では、半導体モジュール内部の放熱性が向上してきたために、半導体モジュールと冷却装置との界面におけるグリスが半導体装置全体における放熱性の律速になってきている。そこで、半導体装置全体の放熱性をより向上させるために、半導体モジュールと冷却装置とを、はんだ接合するという手法が知られている。この場合、半導体モジュールのヒートサイクルによる、はんだ接合部におけるクラック発生を防止してはんだ接合部の寿命を確保することが、製品の高信頼化の上で重要となる。
【０００６】
また、金属シートと一体化された絶縁シートを用いたトランスファーモールドタイプの半導体モジュールが上市されている。このトランスファーモールドタイプの半導体モジュールにおいても、冷却装置とはんだ接合することで、放熱性の向上を図ることができる。この場合には、半導体モジュールと冷却装置との間の、はんだ接合部の寿命確保に加えて、冷却装置とはんだ接合される金属シートと一体化された絶縁シートの寿命確保も、製品の高信頼化を実現する上で重要となる。
【０００７】
本発明は、これらの課題を解決するためになされたものであり、従来に比べて、放熱性及び信頼性の向上が図れる半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の一態様における半導体装置は、半導体素子を実装した金属部材に絶縁シートを介して金属シートを設け、上記金属シートを一側面に露出させて上記半導体素子及び上記金属部材を樹脂封止して作製された半導体モジュールと、上記金属シートに、はんだを介して接合され、上記半導体素子が発する熱を放散させる冷却装置とを有する半導体装置において、上記金属シートは、上記はんだが接合される接合領域と、上記接合領域の周囲に位置し上記はんだが接触せずはんだ付けされない非接合領域とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一態様における半導体装置によれば、半導体モジュールと冷却装置とは、半導体モジュールの一側面に露出した金属シートの接合領域にてはんだ付けされている。よって、グリスを介する場合と比較すると、半導体モジュールの放熱性を向上させることができる。
【００１０】
また、金属シートは、接合領域の周囲に非接合領域を有することから、絶縁シートが金属部材から剥離するときの起点となる絶縁シート端部に生じる熱応力を低減させることができる。したがって、絶縁シートの剥離を防止することができるという効果がある。
【００１１】
さらにまた、金属シートが非接合領域を有することから、金属シートの全体をはんだ付けした場合と比較して、はんだ付け面積を小さくすることができる。よって、はんだクラックによる不良を抑制することができるという効果がある。
【００１２】
以上のように、本発明の一態様における半導体装置によれば、従来に比べて、放熱性の向上が図られ、かつ、はんだ接合部及び絶縁シートの寿命を確保でき、信頼性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１による半導体装置の構成を示す断面図である。
【図２】図１に示すＡ部における半導体装置の断面図である。
【図３】図２に示すＡ部における接合領域の変形例を説明するためのＡ部における半導体装置の断面図である。
【図４】図２に示すＡ部における接合領域の他の変形例を説明するためのＡ部における半導体装置の断面図である。
【図５】図２に示すＡ部における接合領域の別の変形例を説明するためのＡ部における半導体装置の断面図である。
【図６】本発明の実施の形態２による半導体装置の構成を示す断面図である。
【図７】図６に示すＢ部における半導体装置の断面図である。
【図８】図６に示す樹脂材のＢ部における形状の変形例を示すＢ部における半導体装置の断面図である。
【図９】図６に示す樹脂材のＢ部における形状の他の変形例を示すＢ部における半導体装置の断面図である。
【図１０】図６に示す樹脂材のＢ部における形状の別の変形例を示すＢ部における半導体装置の断面図である。
【図１１】図６に示す半導体装置の別の構成を示す断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態３による半導体装置の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施形態である半導体装置について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。また、各図間の図示では、対応する各構成部のサイズや縮尺はそれぞれ独立している。例えば構成の一部を変更した図と、変更していない図との同一構成部分の図示において、同一構成部分のサイズや縮尺が異なる場合もある。また、半導体装置の構成の内、本発明の構成に必要のない部分は、図示を省略している（例えば、封止樹脂内のダイオード素子等）。
【００１５】
実施の形態１．
図１及び図２を参照して、実施の形態１による半導体装置１０１について説明する。
本実施の形態１における半導体装置１０１は、基本的構成部分として、半導体モジュール２０と、冷却装置６０とを備え、半導体モジュール２０と、冷却装置６０とは、はんだ７０にて接合されている。
【００１６】
半導体モジュール２０は、半導体素子１と、絶縁シート２と、金属ブロック３と、金属シート５と、封止樹脂８とを有する。
半導体素子１は、本実施形態ではインバータやコンバータ等を構成する電力用素子であり、材料としてはＳｉやＳｉＣ等が用いられ、一例としてＩＧＢＴ素子が相当する。半導体モジュール２０は、少なくとも１個の半導体素子１を有していればよい。
【００１７】
金属ブロック３は、金属部材の一例に相当し、半導体素子１が実装され、電極としての役割と、ヒートスプレッダとしての役割とを果たす。即ち、半導体素子１で発生した熱は、金属ブロック３の半導体素子実装面３ａから、該半導体素子実装面に対向する裏面３ｂへ金属ブロック３を伝導し、金属ブロック３は放熱性を向上させる。また、金属ブロック３には、半導体素子１との通電を行うため、主電極配線１０、１１が直接に、あるいは金属ワイヤ１５を介して電気的に接続される。
【００１８】
尚、金属ブロック３と半導体素子１とは、一例として厚さ１５０μｍにて、Ｓｎ−Ｓｂ系のＳｎ−１０Ｓｂの内はんだ４にて接合される。内はんだ４としては、例えばＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだを用いることができる。また、主電極配線１０、１１として、本実施形態ではＣｕ製リードを用いている。
【００１９】
上記役割から、金属ブロック３は、熱伝導性及び電気伝導性の良い材料が好ましく、例えばＣｕや、はんだ付け可能なようにＮｉメッキされたＡｌ等が用いられる。勿論、これらの材料に限定されず、熱及び電気を伝導する材料であれば他のものを用いてもよい。一実施例として、金属ブロック３は、厚さ３ｍｍのＣｕ材からなる。また、本実施形態では、図示するように金属ブロック３は、直方体形状のブロック形であるが、目的に応じて様々な形状を取ることができる。金属フレーム等でも良く、この場合には、主電極配線等と一体的に形成することが可能になるなどの利点がある。
【００２０】
絶縁シート２は、金属ブロック３の上記裏面３ｂに接して配置される電気絶縁性を有し、かつ放熱性に優れたシート材であり、放熱性を向上させるために、熱伝導率の大きい材料が使用される。例えばエポキシ樹脂に、高い熱伝導率を有する材料のフィラー、例えばセラミックフィラーを混合したシート構成のもの等が用いられるが、電気的な絶縁物であれば他のものを用いてもよい。このような絶縁シート２は、少なくとも、金属ブロック３の裏面３ｂに対応した形状及び面積を有し、図示するように裏面３ｂを超える大きさが好ましい。また、本実施形態では、絶縁シート２は、以下に述べる金属シート５と機械的及び熱的に接続され、一体成形されている。
【００２１】
金属シート５は、上述のように絶縁シート２と一体化され、機械的及び熱的に接続された金属製シート材である。本実施形態では、金属シート５は、絶縁シート２と同形状で絶縁シート２に接着したＣｕ箔であり、その厚さは、一例として０．１ｍｍである。しかしながら、金属シート５の材料及び形状等は、これらに限定するものではなく、絶縁シート２と一体形成されるものであればよい。例えば金属シート５の材料としては、はんだ付け可能なように処理されていればＡｌ箔等でもよい。また、半導体モジュール２０の放熱性を向上させるために、金属シート５には、熱伝導率が大きい材料を用いるのが好ましい。
【００２２】
また、金属シート５において、絶縁シート２に対向する側面で、後述する冷却装置６０に対面する露出面５ａは、上記はんだ７０が接合される接合領域５２と、該接合領域５２の周囲に位置し、はんだ７０が接触せずはんだ付けされない非接合領域５３とを有する。
【００２３】
接合領域５２の平面形状は、本実施形態では、図２に示すように、金属シート５へ金属ブロック３を投影した、点線で示す投影領域３１に等しい形状及び面積としている。しかしながら、接合領域５２の形状は、これに限定するものではなく、少なくとも投影領域３１を含み、はんだ７０によってはんだ付けされることで、冷却装置６０と機械的及び熱的に接続される機能を有するものであればよい。このように、接合領域５２を、最低限投影領域３１を含む面積とすることで、放熱性が確保される。
【００２４】
また、接合領域５２と非接合領域５３との配置は、図２に示すものに限定されず、例えば図３、図４、及び図５に示すような配置であってもよい。図３では、接合領域５２は、上記投影領域３１の面積を超える大きさを有する。また、図４では、非接合領域５３が接合領域５２の長手方向における左右側端部に配置され、図５では、非接合領域５３が接合領域５２の上記長手方向に直交する方向における上下側端部に配置された形態を示している。
【００２５】
また、接合領域５２と非接合領域５３とは、異なる材料で構成することもできる。例えば、金属シート５がはんだ付け可能な金属であった場合、非接合領域５３は、はんだ付けされないような処理を施すのが好ましい。例えば、金属シート５がＣｕ箔であった場合、接合領域５２は、Ｃｕ箔のままとし、一方、非接合領域５３は、Ａｌめっきを施す、又は、はんだレジストを設ける等しておくことが好ましい。逆に、例えば、金属シート５としてＡｌ箔を用いた場合、当該Ａｌ箔上にＮｉメッキを施すことで接合領域５２を形成し、非接合領域５３は、Ａｌ箔をそのまま用いる等であってもよい。このように、はんだ７０によるはんだ付けの際に、非接合領域５３にはんだ７０が流れないようにすることで、接合領域５２のみにてはんだ接合し、非接合領域５３でははんだ接合しないよう、はんだ７０をコントロールすることができるというメリットがある。
【００２６】
上述した、半導体素子１、絶縁シート２、金属ブロック３、及び金属シート５は、金属シート５の露出面５ａを封止樹脂８の一側面８ａに露出させて、封止樹脂８にて封止されて、半導体モジュール２０が形成される。尚、図示するように、主電極配線１０、１１の一端部分は、封止樹脂８から突出している。
【００２７】
封止樹脂８は、半導体モジュール２０の信頼性向上のために、例えば、モールド樹脂でトランスファーモールド法にて形成されていることが好ましいが、インジェクションモールドや低圧成型等の他の封止工法で形成されていてもかまわない。
【００２８】
冷却装置６０は、半導体素子１で発生した熱を放熱して半導体装置１０１全体を冷却する装置である。本実施形態では、冷却装置６０は、図１に示すように、半導体装置１０１の厚み方向６３に延在する複数の羽部材６４を形成した部材であり、表面積を大きくすることで放熱性を向上させたＡｌの放熱フィンの形態にてなる。冷却装置６０の材料及び形状は、図１に示す例に限定するものではなく、はんだ７０によって金属シート５と機械的及び熱的に接続可能で、半導体素子１で発生した熱を放散可能な形態であればよい。例えば、Ａｌ板に冷媒用流路を設けて、該流路に水等の冷媒を流すように構成した液冷フィン等でもよい。半導体装置１０１の放熱性を向上させるためには、液冷フィンの方がより好ましい。
【００２９】
冷却装置６０は、はんだ７０にて金属シート５とはんだ付けが可能なように、冷却装置６０の取付面６０ａは、例えば、上記ＡｌにＮｉメッキが施され、金属シート５の上記接合領域５２に対応するはんだ付け部６１を有する。尚、はんだ付け部６１の材料や形状は、はんだ７０によって金属シート５と冷却装置６０とが機械的及び熱的に接続される機能を有するものであればよい。例えば冷却装置６０がＣｕの放熱フィンである場合には、当該放熱フィンにおいて、接合領域５２に対応する領域のＣｕがはんだ付け部６１となる。
【００３０】
尚、本実施形態では、はんだ７０は、厚さが２００μｍであり、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕのはんだである。また、はんだ７０により、半導体モジュール２０と冷却装置６０とがはんだ付けされるときに、金属ブロック３に半導体素子１を固定した内はんだ４が溶融すると、溶融による内はんだ４の体積膨張によって半導体モジュール２０を内側から損傷させる等の不具合が懸念される。このような不具合を防止するため、内はんだ４の材料は、はんだ７０に使用する材料より融点の高い材料であることが好ましい。例えば、内はんだ４にＡｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕはんだを用いた場合には、はんだ７０には、Ｓｎ−５８Ｂｉはんだ、内はんだ４としてＳｎ−１０Ｓｂはんだを用いた場合には、はんだ７０には、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕはんだ等を用いるのが好ましい。
【００３１】
上述したような構成を有する本実施の形態１による半導体装置１０１は、樹脂封止により半導体モジュール２０を作製後、半導体モジュール２０より露出している金属シート５の露出面５ａにおける接合領域５２と、冷却装置６０の取付面６０ａにおけるはんだ付け部６１とを、はんだ７０を用いて接合することによって製造される。
【００３２】
このように作製される半導体装置１０１では、金属シート５と冷却装置６０とをはんだ７０を用いて接合しているので、金属シート５と冷却装置６０との間にグリスを用いた場合と比較して、はんだ７０はグリスより熱伝導率が大きいため、半導体装置１０１の放熱性を向上することができるというメリットがある。
【００３３】
一方、金属シート５と冷却装置６０とをはんだ７０を用いて接合することで、温度変化による金属シート５と冷却装置６０との熱膨張率の違いから生じる応力が、金属シート５の端部で最も大きくなる。そのため、半導体装置１０１の信頼性をより向上させるためには、金属シート５の端部に生じる剥離や損傷、外はんだ７に生じるはんだクラックを抑制することが重要となる。よって、半導体装置１０１の信頼性をより向上させるためには、金属シート５の端部に生じる応力を小さくすることが重要である。
【００３４】
そこで半導体装置１０１では、上述のように、はんだ７０によってはんだ接合される金属シート５の接合領域５２の周囲に非接合領域５３を設けている。これにより、金属シート５全体をはんだ接合した場合と比較して、温度変化により生じる金属シート５の端部での熱応力が低減される。よって、金属シート５が、絶縁シート２から、あるいは絶縁シート２とともに金属ブロック３から、あるいは封止樹脂８から、剥離や損傷するのを抑制することができるというメリットがある。
【００３５】
また、接合領域５２の周囲に非接合領域５３を設けることによって、金属シート５全体をはんだ接合した場合と比較して、はんだ付け面積が小さくなる。よって、温度変化によりはんだ７０に作用する熱応力が小さくなるため、はんだ７０におけるクラックの発生を抑制することができるというメリットがある。
【００３６】
また、金属シート５全体をはんだ接合した場合、特に金属シート５の四隅に生じる応力が最も大きくなるため、金属シート５の四隅が剥離、損傷、及び、はんだクラックの起点となる可能性が高い。そのため、半導体装置１０１の信頼性をより向上させるには、図３から図５に示すように、金属シート５の四隅を含むように、非接合領域５３を設けるのが好ましい。そうすることで、金属シート５の四隅に生じる熱応力を低減し、金属シート５の四隅が剥離、損傷、及びはんだクラックの起点となるのを防ぐことができる。
【００３７】
さらには、金属シート５全体をはんだ付けした場合、金属シート５と封止樹脂８との界面から絶縁シート２に向かって、はんだ付けの際に用いるフラックス成分や、あるいははんだ自体が侵入してしまい、絶縁性を劣化させることも懸念される。一方、本実施の形態の半導体装置１０１では、接合領域５２の周囲に非接合領域５３が存在することから、上記界面への上記フラックス成分等の浸入リスクを低減することができる。したがって、半導体装置１０１によれば、より高絶縁な半導体装置を提供することができる。
【００３８】
このように、本実施形態の半導体装置１０１によれば、従来の半導体装置に比べて、放熱性の向上を図ることができ、かつ信頼性の向上を図ることができる。
【００３９】
また、半導体装置１０１によれば、上述のように放熱性の向上を図ることができることから、製品の小型化、省エネ、包装の小型化を図ることができ、また、信頼性の向上を図ることができることから、製品の長寿命化を図ることにも寄与する。尚、これらの付随的効果は、以下に説明する実施の形態２、３における半導体装置の場合でも同様に得ることができる。
【００４０】
また、半導体素子１にＳｉＣを用いた場合、その特長を生かすべく、Ｓｉの場合と比較してより高温で動作させることができるが、一方、半導体装置としてより高い信頼性が求められる。そのため、ＳｉＣデバイスを搭載する半導体装置において、上述した半導体装置１０１の構成を採ることは、高信頼の半導体装置を実現する上で大きく寄与する。
【００４１】
実施の形態２．
次に、図６及び図７を参照して、本実施の形態２における半導体装置１０２について以下に説明する。
本実施の形態２における半導体装置１０２と、図１を参照し上述した半導体装置１０１との大きな相違点は、非接合領域５３の少なくとも一部分について、非接合領域５３の周囲の封止樹脂８と共に樹脂材１３で封止した点である。
以下では、上記相違点に伴う変更部分についてのみ説明を行い、上述の半導体装置１０１と同じ構成部分については、ここでの説明を省略する。
【００４２】
樹脂材１３は、非接合領域５３の少なくとも一部分に対して、非接合領域５３の周囲における封止樹脂８とともに一体として封止されるように形成される。樹脂材１３を設ける位置は、例えば図７に示すように、金属シート５の露出面５ａにおける四隅部分５１であり、非接合領域５３の一部分である。
【００４３】
例えば四隅部分５１に設けられる各樹脂材１３は、上記厚み方向６３において、概ね同じ厚みに揃えられていることが好ましく、少なくともはんだ７０の厚さ以下でなければならない。樹脂材１３の厚みを揃えることで、はんだ７０の厚みを設定でき、はんだクラックが発生するのを抑制することができる。
【００４４】
さらに、樹脂材１３は、その耐熱温度が、はんだ７０の融点より高くなければならない。本実施の形態２における半導体装置１０２では、樹脂材１３としてエポキシ樹脂等を用いているが、非接合領域５３の少なくとも一部分に対して、非接合領域５３の周囲における封止樹脂８とともに一体として封止可能な材料であれば、エポキシ樹脂以外の他の材料を用いてもかまわない。
【００４５】
さらに、樹脂材１３の形状は、図７に示すような形状に限定するものではない。つまり、図７では、上記投影領域３１に相当する部分を接合領域５２とした上で、はんだ７０によるはんだ付けの際に、はんだ７０からボイドが抜けるように、金属シート５における非接合領域５３の一部を樹脂材１３で封止しないように、樹脂材１３の形状を定めている。これに対し、例えば図８から図１０に示すような、樹脂材１３の形状を採ることもできる。
【００４６】
図８は、金属シート５の剥離の起点となる可能性が高い金属シート５の頂部近傍５１ａに対応した領域のみを覆うように、非接合領域５３の一部分に樹脂材１３を設けた形態を示している。また、図８に示す形態では、図示するように接合領域５２は、上記投影領域３１を超えて存在する。
【００４７】
図９は、金属シート５における長手方向５４における両端部５５に対応した領域のみを覆うように、非接合領域５３に樹脂材１３を設けた形態を示している。また、図９に示す形態では、非接合領域５３の全てが樹脂材１３で覆われている。
図９に示す形状によれば、金属シート５の四隅部分５１を含む端部５５を樹脂材１３で封止した上で、はんだスクラブが可能である。
【００４８】
図１０は、図９に示す形態に類似し、上記長手方向５４に直交する直交方向５４ａにおける両端部５５に対応した領域のみを覆うように、非接合領域５３に樹脂材１３を設けた形態を示している。図９に示す形態でも、非接合領域５３の全てが樹脂材１３で覆われている。
【００４９】
このように、非接合領域５３の全部または一部と、非接合領域５３の周囲の封止樹脂８とを樹脂材１３にて封止することで、金属シート５が剥離や損傷を起こす起点となる部分が封止されることになる。よって、金属シート５の端部に熱応力が生じても、金属シート５が剥離や損傷するのをさらに抑制できるというメリットがある。
【００５０】
このように、本実施の形態２における半導体装置１０２では、実施の形態１の半導体装置１０１と同様に放熱性の向上を図ることができ、かつ、半導体装置１０１よりもさらに信頼性の向上を図ることができる。
【００５１】
また、図９及び図１０に示す形態のように、非接合領域５３の全部を樹脂材１３で封止することで、はんだ７０によるはんだ付けの際に、はんだ７０が非接合領域５３に流れるのを防ぐことができるという効果がある。つまり、樹脂材１３は、はんだレジストとしての役割をするというメリットがある。
【００５２】
なお、本実施の形態２による半導体装置１０２の製造工程では、非接合領域５３と、非接合領域５３の周囲の封止樹脂８とを樹脂材１３によって封止した後、冷却装置６０と半導体モジュール２０とがはんだ７０によって接合される。よって、樹脂材１３が金属シート５の端部５５の全てを覆った場合には、はんだ７０によるはんだ付け工程において、はんだボイドが樹脂材１３によってトラップされてしまう可能性がある。したがって、金属シート５の端部５５には、樹脂材１３で封止されていない箇所が存在することが好ましい。
【００５３】
また、樹脂材１３が金属シート５の端部５５を覆っている場合では、樹脂材１３において、はんだ７０の厚さを保障するための樹脂高さが高い部位と、はんだボイドがトラップされないための樹脂高さが低い部位とがあるのが望ましい。
【００５４】
さらには、金属シート５と封止樹脂８との界面を、樹脂材１３で覆ったことから、上記界面から、フラックス成分、はんだ付け後の洗浄液成分、はんだ、及び水分等の侵入を完全に防止することができる。よって、より高絶縁な半導体装置を得ることができるというメリットがある。
【００５５】
またさらには、本半導体装置の絶縁性を担保している絶縁シート２は、樹脂を主成分としていることから、吸湿した場合に絶縁性が劣化することが懸念される。しかしながら、本実施の形態２の構成によれば、樹脂材１３を設けたことで上記界面からの水分の浸入を抑制することができ、上記懸念を大幅に低減することができる。出願人が行った実験においても、本実施の形態２の構成により、絶縁シート２の吸湿性が大幅に低減し、結果としてより高い絶縁性を確保できることを確認している。
【００５６】
また、上述した樹脂材１３の厚みについて、図１１に示す半導体装置１０２Ｂのように、冷却装置６０と半導体モジュール２０とを接合するはんだ７０にて保障したい、はんだ７０の最低厚みに一致させてもよい。このような構成を採ることで、以下の効果が得られる。
【００５７】
即ち、本実施の形態２による半導体装置１０２の製造工程では、半導体素子１を含む部材を封止樹脂８によって封止した後、樹脂材１３によって非接合領域５３と、非接合領域５３の周囲の封止樹脂８とを封止し、その後、冷却装置６０と半導体モジュール２０とがはんだ７０によって接合される。このとき、図１１に示す半導体装置１０２Ｂのように樹脂材１３の厚みをはんだ７０の最低厚みに一致させておくことで、はんだ７０を適切な量供給してはんだ付け工程を行うことによって、はんだ７０に生じるはんだクラックをより抑制することができるという効果がある。これは、樹脂材１３をはんだ７０と同じ厚みにそろえておくことで、はんだ厚の最低厚さを設定することができるからである。つまり、はんだ７０に生じる応力は、はんだ厚が薄いほど大きくなるため、はんだ厚の最低厚さを保障できることで、はんだ７０に、はんだクラックを抑制可能な厚さを必ず保持させることができるからである。
【００５８】
実施の形態３．
次に、図１２を参照して、本実施の形態３における半導体装置１０３について以下に説明する。
本実施の形態３における半導体装置１０３は、図６を参照し上述した半導体装置１０２の樹脂材１３を封止樹脂８と一体的に成形した点でのみ、半導体装置１０２と相違する。尚、本実施の形態３の半導体装置１０３において、樹脂材１３を一体成形した封止樹脂について「８０」の符号を付し、樹脂材１３に相当する部分を封止部１４とする。また、半導体装置１０３におけるその他の構成部分は、上述した半導体装置１０２における構成部分と同じであり、同じ構成部分について、ここでの説明を省略する。同様に、製造工程についても上述の半導体装置１０２と同じ部分については説明を省略する。
【００５９】
封止樹脂８０における封止部１４の上記厚み方向６３における厚みは、図６を参照した半導体装置１０２のように、はんだ７０の厚みに比べて薄い、及び、図１１を参照した半導体装置１０２Ｂのように、はんだ７０の厚みと同じ、のいずれであっても良い。また、その形状についても、図７から図１０に図示した樹脂材１３のいずれの形状を採ることができる。
【００６０】
図１２に示す半導体装置１０３のように封止部１４を一体的に成形した封止樹脂８０によれば、封止樹脂８とは別個に樹脂材１３で封止した場合と比較して、封止部１４が封止樹脂８から、より剥離しにくくなる。即ち、金属シート５の剥離や損傷の起点となる部分が封止樹脂８０と一体の封止部１４にて封止されているため、金属シート５の端部に熱応力が生じた場合でも、金属シート５が剥離や損傷するのをさらに抑制できるというメリットがある。また、封止部１４の形状は、金型により決定できるため、封止部１４を同じ厚みに揃えやすいという効果も得ることができる。
【００６１】
このように、本実施の形態３における半導体装置１０３では、上述の実施の形態１，２の半導体装置１０１等と同様に放熱性の向上を図ることができ、かつ、実施の形態２における半導体装置１０２、１０２Ｂよりもさらに信頼性の向上を図ることができる。
【００６２】
さらに、封止部１４は、封止樹脂８０と一体的に形成されるため、樹脂材１３で封止する場合と比較して、製造工程で樹脂材１３を封止する工程をなくすことができる。よって、上述の半導体装置１０１と同じ製造工程で製造することができ、新たな作業が発生することがないという効果がある。
【符号の説明】
【００６３】
１ 半導体素子、２ 絶縁シート、３ 金属ブロック、５ 金属シート、
８ 封止樹脂、１３ 樹脂材、１４ 封止部、
２０ 半導体モジュール、５２ 接合領域、５３ 非接合領域、
６０ 冷却装置、７０ はんだ、
１０１，１０２，１０２Ｂ，１０３ 半導体装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を実装した金属部材に絶縁シートを介して金属シートを設け、上記金属シートを一側面に露出させて上記半導体素子及び上記金属部材を樹脂封止して作製された半導体モジュールと、上記金属シートに、はんだを介して接合され、上記半導体素子が発する熱を放散させる冷却装置とを有する半導体装置において、
上記金属シートは、上記はんだが接合される接合領域と、上記接合領域の周囲に位置し上記はんだが接触せずはんだ付けされない非接合領域とを有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
上記金属シートは方形状であり、上記非接合領域は、上記金属シートの四隅に対応して位置する、請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
上記非接合領域は、上記金属シートの端部に対応して位置する、請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
上記接合領域は、上記金属部材の投影面積を超える面積を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
上記接合領域は、はんだが接合可能に処理され、上記非接合領域は、はんだが非接合となるよう処理されている、請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
上記非接合領域の少なくとも一部を覆う樹脂材をさらに備えた、請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
上記樹脂材の厚みはほぼ一定である、請求項６記載の半導体装置。
【請求項８】
上記樹脂材は、上記半導体モジュールの樹脂封止材と一体的に成形される、請求項６又は７に記載の半導体装置。
【請求項１】
半導体素子を実装した金属部材に絶縁シートを介して金属シートを設け、上記金属シートを一側面に露出させて上記半導体素子及び上記金属部材を樹脂封止して作製された半導体モジュールと、上記金属シートに、はんだを介して接合され、上記半導体素子が発する熱を放散させる冷却装置とを有する半導体装置において、
上記金属シートは、上記はんだが接合される接合領域と、上記接合領域の周囲に位置し上記はんだが接触せずはんだ付けされない非接合領域とを有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
上記金属シートは方形状であり、上記非接合領域は、上記金属シートの四隅に対応して位置する、請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
上記非接合領域は、上記金属シートの端部に対応して位置する、請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
上記接合領域は、上記金属部材の投影面積を超える面積を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
上記接合領域は、はんだが接合可能に処理され、上記非接合領域は、はんだが非接合となるよう処理されている、請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
上記非接合領域の少なくとも一部を覆う樹脂材をさらに備えた、請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
上記樹脂材の厚みはほぼ一定である、請求項６記載の半導体装置。
【請求項８】
上記樹脂材は、上記半導体モジュールの樹脂封止材と一体的に成形される、請求項６又は７に記載の半導体装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−１３４９４９（Ｐ２０１１−１３４９４９Ａ）
【公開日】平成２３年７月７日（２０１１．７．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２９４３１２（Ｐ２００９−２９４３１２）
【出願日】平成２１年１２月２５日（２００９．１２．２５）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月７日（２０１１．７．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月２５日（２００９．１２．２５）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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