半導体装置
【課題】金属板と一体化した絶縁層を有するタイプの半導体モジュールを備え、従来よりも製品の高信頼化を実現可能な半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体モジュール１０１において露出する金属板５と冷却装置１０２とが接合材７にて接合され、金属板５は、接合される接合領域５２と、接合しない非接合領域５３とを有する。このような半導体装置１１０において、非接合領域、接合材の周囲領域５４、及び冷却装置において接合された部分の周囲の接合周囲領域６３に対してさらに樹脂剤９を備えた。
【解決手段】半導体モジュール１０１において露出する金属板５と冷却装置１０２とが接合材７にて接合され、金属板５は、接合される接合領域５２と、接合しない非接合領域５３とを有する。このような半導体装置１１０において、非接合領域、接合材の周囲領域５４、及び冷却装置において接合された部分の周囲の接合周囲領域６３に対してさらに樹脂剤９を備えた。
【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、特に電力用半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に半導体モジュールは、その放熱性を向上させるため、グリスを介して冷却装置に取り付けられている。例えば電力用半導体スイッチング素子等の発熱素子を搭載するパワーモジュールでは、放熱構造が重要となる。このため、一般的にパワーモジュールは、冷却器（ヒートシンク）に締結されて実装される。この際、パワーモジュールと冷却器との間に空隙が生じると熱伝導性が悪化するため、熱伝導性グリスを介してパワーモジュールを冷却器に取付ける実装構造が一般的に用いられている。
【０００３】
一方、半導体モジュールを小型軽量化するためには、半導体モジュールそのものの小型化、又は半導体モジュールを有する半導体装置全体の放熱性を向上させることによる冷却器の小型化を図ることが重要である。例えば特許文献１は、パワーモジュール及び冷却器の実装構造を開示しており、その特徴的構成は、パワーモジュール及び冷却器の互いの対向面の少なくとも一方に熱伝導性グリスを浸入させるグリス浸入部を設けた点である。このグリス浸入部は、パワーモジュールと冷却器との締結力の反力であるグリス面圧によるパワーモジュールの変形量を抑制し、グリス浸入部以外の領域でのグリス膜厚を減少させるとともに均一化させる。これにより、パワーモジュール全体の放熱性を高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１９６５７６号公報（図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一方、半導体モジュール内部の放熱性の向上に伴い、半導体モジュールと冷却装置とに介在させる熱伝導性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。よって、上述のようなグリス膜厚の薄肉化による方法では、放熱性向上は限界に来ている。
【０００６】
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の間を、はんだ接合するという手法が知られている。この半田接合による構成では、半導体モジュールから生じるヒートサイクルに起因する、半導体モジュールと冷却装置とのはんだ接合部におけるクラック発生を防止して放熱性の劣化を防止すること、即ち、はんだ接合部の寿命を確保することが、製品の高信頼化を実現する上で重要となる。
【０００７】
また、半導体モジュールにおいて金属板と絶縁層とを一体化した構造を有し、半導体モジュールの冷却装置に対向させる表面に金属板を露出させて、半導体モジュールと冷却装置とをはんだ付け可能としたタイプも上市されている。このタイプでは、はんだ接合により放熱性を向上させることができる。
【０００８】
しかしながら、この金属板を有するタイプの半導体モジュールの場合、金属板と一体化された絶縁層が、ヒートサイクルによりはんだに生じる熱応力によって半導体モジュールから剥離し、放熱性や絶縁性が劣化することが問題となる。そのため、金属板を有するタイプの半導体モジュールの場合、半導体モジュールと冷却装置とのはんだ接合部における寿命確保に加えて絶縁層の寿命確保も、製品の高信頼化を実現する上で重要となる。
【０００９】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたもので、金属板と一体化した絶縁層を有するタイプの半導体モジュールを備え、従来よりも製品の高信頼化を実現可能な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】
【００１０】
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、及び、絶縁層と一体的に形成された金属板を樹脂にて封止した封止体を有しこの封止体の一面に上記金属板を露出させた半導体モジュールと、金属板の露出面に対向して配置され、接合材を介して上記露出面に接合される放熱部材とを備えた半導体装置であり、上記金属板の露出面は、接合材で接合される接合領域と、接合材が接触せず接合されない非接合領域とを有し、当該半導体装置は、さらに樹脂剤を備え、この樹脂剤は、上記非接合領域、上記半導体モジュールと上記放熱部材とを接合した接合材の周囲に対応する接合材周囲領域、及び上記金属板の露出面に対面する上記放熱部材の接合材接合面において上記金属板と接合された部分の周囲に対応する接合周囲領域に対して設けられることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の一態様における半導体装置によれば、まず、半導体モジュールでは、露出している金属板は、放熱部材と接合材で接合されている。よって、半導体モジュールと放熱部材とがグリスを介して接合される場合に比べて、両者間の熱伝導性が向上し、半導体モジュールの放熱性を向上できるという効果がある。したがって、製品の小型化、製品包装の小型化を図ることができ、また、高冷却能力を要しなくなるので省エネルギーにもつながる。
【００１２】
また、金属板が接合材との接合領域及び非接合領域を有することで、金属板の全体を接合する場合と比較すると、接合面積を小さくすることができる。よって、接合材のクラックによる不良を抑制することができ、製品の信頼性の向上を図ることができる。
【００１３】
さらに、金属板における非接合領域、接合する接合材の接合材周囲領域、及び放熱部材における接合周囲領域に樹脂剤を設けたことで、一体的に形成されている金属板及び絶縁層は、移動あるいは変位することが物理的に困難になる。よって、絶縁層が金属板及び封止体から剥離することを防止することができる。さらに移動又は変位が制限されることで、接合材に生じる熱応力を低減することができる。よって、接合材のクラックの進展を抑制することができるという効果もある。したがって、接合材接合部分及び絶縁層の劣化を防止し寿命を確保できることから、従来に比べて製品の高信頼化を実現することが可能となる。また、製品の長寿命化を図ることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【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−Ａ部における断面図である。
【図３】図１に示す半導体装置の変形例におけるＡ−Ａ部における断面図である。
【図４】図１に示す半導体装置の別の変形例におけるＡ−Ａ部における断面図である。
【図５】図１に示す半導体装置のさらに別の変形例におけるＡ−Ａ部における断面図である。
【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】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】
【００１５】
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、対応する各構成部分のサイズや縮尺はそれぞれ独立しており、例えば構成部分の一部を変更した断面図間において、変更していない同一構成部分のサイズや縮尺が相違する場合もある。また、該半導体装置の構成について、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、モールド樹脂内のダイオード素子等）。
【００１６】
実施の形態１．
本発明の実施の形態１における半導体装置について、図を参照して説明する。
図１に示すように、実施の形態１における半導体装置１１０は、大きく分けて、半導体モジュール１０１と、放熱部材の一例に相当する冷却装置１０２とを備え、半導体モジュール１０１と冷却装置１０２とは、外接合材７にて接合されている。さらに、本実施形態の半導体装置１１０は、特徴的構成の一つとして、半導体モジュール１０１と冷却装置１０２との接合部分に樹脂剤９を備える。これらの構成部分について、以下に詳しく説明する。
【００１７】
まず、半導体モジュール１０１について説明する。
半導体モジュール１０１の概略構成は、半導体素子１、及び、絶縁シート２と一体的に形成された金属板５を備え、これらをモールド樹脂８にて封止して封止体１０１１を形成する。このとき、封止体１０１１の一面には、金属板５を露出させている。また、半導体素子１は、ヒートスプレッダ３の実装面３ａに実装されている。これらの構成部分については、以下でさらに詳しく説明する。尚、半導体モジュール１０１に含まれるが、本発明の構成とは直接に関係しない構成部分、例えば、半導体素子１に電気信号を供給するＡｌワイヤ１５等については、説明を省略する。
【００１８】
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、動作に伴い発熱する素子である。尚、半導体素子１は、電力用素子に限定するものではない。また、その個数は、１個以上であればよい。半導体素子１の構成材料として、ＳｉやＳｉＣ等が用いられる。
【００１９】
絶縁シート２は、絶縁層の機能を果たす一例に相当し、電気的絶縁材料にてなり、放熱性向上のため熱伝導率の大きい材料が好ましい。本実施の形態１では、絶縁シート２は、高い熱伝導率を有するセラミックのフィラーをエポキシ樹脂に混合した樹脂材であるが、これに限定されない。
【００２０】
ヒートスプレッダ３は、金属部材の機能を果たす一例に相当し、当該ヒートスプレッダ３の実装面３ａに実装される半導体素子１の電極としての役割と、熱拡散部材としての役割とを果たす部材である。即ち、半導体素子１で発生した熱がヒートスプレッダ３の実装面３ａに対向する対向面３ｂに対して広がることで、ヒートスプレッダ３は、半導体素子１の放熱性を向上させる。対向面３ｂが絶縁シート２に接触した状態で、ヒートスプレッダ３は配置される。また、このヒートスプレッダ３にリードフレーム１０、１１を電気的に接続することによって、半導体素子１に通電が行われる。尚、リードフレーム１０、１１は、本実施形態では、一方端が半導体素子１の主電極に電気的に接続された厚さ１ｍｍのＣｕ板である。
【００２１】
このため、ヒートスプレッダ３は、熱伝導率、電気伝導性が良い材料が好ましく、例えばＣｕや、はんだ付け可能なＮｉメッキをしたＡｌ等が使用可能である。尚、ヒートスプレッダ３は、これらの材料に限定するものではなく、熱及び電気伝導性が良い材料であればよい。本実施形態では、ヒートスプレッダ３は、一例として、厚さ３ｍｍのＣｕ板である。また、ヒートスプレッダ３の形状は、図１に示すようなブロック形に限らず、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よく、この場合には、リードフレーム１０等と一体的に形成可能になるなどの利点がある。
【００２２】
また、ヒートスプレッダ３の実装面３ａには、内接合材４を用いて半導体素子１が接合される。この内接合材４及び下記外接合材７は、融点の比較的低い金属材料であることが望ましい。内接合材４としては、例えばＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだや、Ｓｎ−Ｓｂ系のはんだ等が用いられる。また、後述する外接合材７による接合工程において内接合材４が溶融すると、溶融による体積膨張により、封止体１０１１を内部から破壊してしまう等の不具合が考えられる。このような不具合を防止するため、内接合材４は、外接合材７に使用する材料よりも融点が高い材料が好ましい。例えば、内接合材４としてＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕはんだを用いた場合には、外接合材７としては、Ｓｎ−５８Ｂｉはんだを用いるのが好ましく、また、内接合材４としてＳｎ−１０Ｓｂはんだを用いた場合には、外接合材７として、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕはんだ等を用いるのが好ましい。本実施形態では、内接合材４は、一例として、厚さ１５０μｍのＳｎ−１０Ｓｂはんだである。ここで、内接合材４としては、融点の比較的低い金属材料以外の、例えば銀ペーストや銅ナノパウダー等の導電性接着剤を用いても良い。
【００２３】
金属板５は、絶縁シート２と一体的に形成され、絶縁シート２の一側面の全面を覆う金属材であり、絶縁シート２と同形状である。本実施の形態１では、方形状で厚さ０．１ｍｍの銅箔である。尚、金属板５の材料及び形状は、本実施の形態１のものに限られず、絶縁シート２と一体的に形成されている金属板であればよい。また、半導体素子１を実装したヒートスプレッダ３の対向面３ｂに絶縁シート２を接触させた状態で、これらはモールド樹脂８にて封止され封止体１０１１が形成されるが、金属板５は、封止体１０１１の一面に露出する。このように露出面５１を有する金属板５は、半導体モジュール１０１と冷却装置１０２との、外接合材７による、接合領域５２での接合を可能にするための部材であり、例えば、露出面５１をＮｉめっき処理することで、金属板５そのものはＡｌ箔等でもよい。また、半導体モジュール１０１の放熱性を向上させるために、金属板５は熱伝導率の大きい材料を用いるのが好ましい。ここで、金属板５の厚さは、０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度が好ましい。
【００２４】
図２に示すように、さらに金属板５は、露出面５１において、外接合材７で接合される接合領域５２と、外接合材７が接触せず接合されない非接合領域５３とを有する。ここで外接合材７は、例えば上述したようなＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだや、より融点の低いＳｎ−Ｂｉ系はんだ等を用いるのが好ましい。本実施形態では、外接合材７は、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕはんだを用いており、厚さ３００μｍである。ここで、外接合材７としては、内接合材４と同様に、融点の比較的低い金属材料以外の、例えば銀ペーストや銅ナノパウダー等の接着剤を用いても良い。
【００２５】
また、図２では、一例として、露出面５１において、金属板５の外周から１．５ｍｍの幅のＡｌメッキにて、接合領域５２の全周囲を取り囲んで、非接合領域５３が配置される形態を示している。しかしながらこれに限定されず、非接合領域５３は、金属板５の露出面５１の、少なくとも四隅５１ａ及びその周辺の領域に設けられればよい。よって、接合領域５２及び非接合領域５３は、例えば図３、図４、及び図５に示すような形態であってもよい。
【００２６】
また金属板５がはんだ接合可能な材料である場合、非接合領域５３は、金属板５と同一材料でなくてもよく、金属板５の露出面５１に、予めはんだ非接合処理を施すことで形成することができる。はんだ非接合処理としては、例えば、有機材料によって金属板５の露出面５１を処理することや、外接合材７に濡れない金属を露出面５１に存在させること等がある。
逆に、金属板５がはんだ接合できない材料（例えばＡｌ等）である場合には、金属板５の露出面５１に、予めはんだ接合処理を施すことで、接合領域５２を形成することができる。はんだ接合処理としては、上述のように、露出面５１にＮｉメッキ等を施すこと等がある。
【００２７】
モールド樹脂８は、半導体素子１と、ヒートスプレッダ３と、リードフレーム１０、１１と、絶縁シート２及び金属板５とを、これらの構成部分が上述したように構成された状態にて、樹脂封止する熱硬化性の樹脂材であり、封止により封止体１０１１を構成している。本実施形態ではモールド樹脂８はエポキシ樹脂である。尚、リードフレーム１０、１１の他端、及び、金属板５の一部である露出面５１は、封止体１０１１の外表面より外部に露出している。モールド樹脂８の材料は、半導体モジュールの信頼性を向上できるものであればよいが、本実施の形態１のように、トランスファーモールド法にて半導体モジュール１０１を形成するものが好ましい。
このようにして、半導体モジュール１０１が形成される。
【００２８】
次に、冷却装置１０２について説明する。
冷却装置１０２は、半導体素子１で発生した熱を放熱して半導体装置１１０全体を冷却するための装置であり、放熱部材の機能を果たす一例に相当する。本実施の形態１では、冷却装置１０２は、図１に示すように、Ａｌで形成された筒状の枠体６と、枠体６内に冷媒の一例としての冷却水を供給する冷却水供給部６５とを有する。枠体６は、半導体モジュール１０１における金属板５の露出面５１に対面して位置する接合材接合面６１を有する。接合材接合面６１は、外接合材７によって金属板５と接合可能な形状及び材料にて構成されればよい。本実施形態の場合、Ａｌ材の枠体６であることから、接合材接合面６１には、Ｎｉメッキを施している。
【００２９】
また、枠体６内には、枠体６と冷却水との熱交換効率を向上させるフィン６６が設けられている。尚、冷却装置１０２を構成する材料、形状は、本実施の形態１の例に限定するものではなく、外接合材７によって金属板５と接合可能で、半導体素子１で発生した熱を放熱できるものであればよい。例えば、水冷に比べ放熱性は劣るが、例えば、図１の紙面に直角方向に延在する複数の羽部材を設けた形状で、表面積の増加により放熱性を向上させた空冷フィン等でも良い。
【００３０】
さらに、枠体６は、接合材接合面６１に、樹脂剤９が注入あるいは充填される凹部６２を有する。この凹部６２は、枠体６において金属板５と接合された部分の周囲に相当する接合周囲領域６３に形成される。凹部６２の形状は、図１に示すような形状に限定するものではなく、樹脂剤９との密着性を向上可能な形状であれば良い。この観点から特に、凹部６２は、例えば蟻溝型や蛸壺型のように、表面の開口部よりも内側収容部が大きい、アンカー効果の高い形状が好ましい。尚、樹脂剤９の密着性が比較的高い場合には、凹部６２は設けなくても良いが、この場合でも、設けた方がさらに樹脂剤９の密着性を高めるので好ましい。
【００３１】
次に、本実施形態における特徴的構成の一つである樹脂剤９について説明する。
樹脂剤９は、金属板５の露出面５１を含む封止体１０１１の接続面１０１１ｃと冷却装置１０２の枠体６との隙間１０３において、金属板５における非接合領域５３、外接合材７の接合材周囲領域５４、及び枠体６の接合周囲領域６３に設けられる。ここで接合材周囲領域５４は、半導体モジュール１０１と冷却装置１０２とを接合している外接合材７の周縁の領域に相当する。また、接合周囲領域６３には上述のように凹部６２が形成されていることから、樹脂剤９が特に凹部６２に入り込むことが重要となる。
【００３２】
このような樹脂剤９として本実施形態ではエポキシ樹脂が用いられる。しかしながら、これに限定されない。つまり、後述するように、半導体素子１の発熱により引き起こされる可能性がある、絶縁シート２に対する金属板５の剥離を防止でき、かつ外接合材７の信頼性を向上可能とし、かつ外接合材７の融点以下で硬化可能であるような樹脂剤であればよい。また、樹脂剤９は、必要部位への充填性を考慮すると粘度は低い方が好ましく、また、非接合領域５３と冷却装置１０２の材料との密着性が高い方が好ましい。
【００３３】
次に、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１１０の製造方法について、図１を参照して説明する。半導体装置１１０の製造では、以下に示す１〜６の工程を含む。即ち、
１．半導体素子１とヒートスプレッダ３とを内接合材４を用いて接合するダイボンド工程。
２．半導体素子１が接合されたヒートスプレッダ３にリードフレーム１０を内接合材４１を用いて接合するフレーム接合工程。ここで、内接合材４１は、内接合材４と同じ材料を用いてもよい。
３．リードフレーム１１と半導体素子１とをワイヤボンドで接合するワイヤボンド工程。
４．リードフレーム１０、１１が接合されたヒートスプレッダ３、及び、金属板５と一体的に形成された絶縁シート２を、金型内で一体的にモールドすることで半導体モジュール１０１とするモールド工程。
５．モールドが完了した半導体モジュール１０１における露出面５１の接合領域５２と、冷却装置１０２の接合材接合面６１とを外接合材７を用いて接合する接合工程。
６．樹脂剤９を、非接合領域５３、枠体６の接合周囲領域６３、特に凹部６２、及び外接合材７の接合材周囲領域５４に充填し、熱硬化させる樹脂充填工程。
【００３４】
以上説明した、本実施の形態１による半導体装置１１０によれば、以下のような効果が得られる。
まず、半導体モジュール１０１の金属板５と冷却装置１０２とを外接合材７を用いて接合することによって、グリスを用いた場合と比較して、接合材はグリスより熱伝導率が大きいため、半導体装置１１０の放熱性を向上することができる。
【００３５】
また、金属板５における露出面５１の全体と、冷却装置１０２とを外接合材７にて接合した場合、半導体素子１の発熱による温度変化によって金属板５及び冷却装置１０２がそれぞれ熱膨張するが、金属板５と冷却装置１０２との各熱膨張率の違いにより、外接合材７には熱応力が発生する。この熱応力は、金属板５の端部で最大となる。また、この熱応力は、外接合材７に接合材のクラックを発生させ、該クラックが進展することで、半導体装置１１０全体の放熱性を劣化させる可能性がある。
さらに、上述のように金属板５の端部で外接合材７に生じる熱応力が最大となることで、金属板５と一体的に形成されている絶縁シート２が半導体モジュール１０１の封止体１０１１から剥離し、半導体モジュール１０１の放熱性や絶縁性を劣化させることが考えられる。そのため、半導体装置１１０の信頼性をより向上させるためには、金属板５及び絶縁シート２の剥離や、外接合材７に生じる接合材のクラックを抑制することが重要となる。
【００３６】
本実施形態の半導体装置１１０では、上述したように、外接合材７の接合材周囲領域５４に樹脂剤９を設けたことによって、封止体１０１１の厚み方向に直交する直交方向１０１１ｄにおいて、一体形成されている金属板５及び絶縁シート２の熱膨張差による移動あるいは変位が物理的に抑えられるため、外接合材７に生じる熱応力を低減することができる。よって、外接合材７に生じる接合材のクラックを抑制することが可能となる。その結果、半導体装置１１０全体の放熱性を劣化が抑制され、製品の信頼性を従来に比べて向上させることができる。
【００３７】
また、上述のように、金属板５の露出面５１の少なくとも四隅５１ａ、さらには露出面５１の外周部に非接合領域５３を設けている。これにより、金属板５全体を接合した場合と比較して、金属板５端部での熱応力は低減される。さらに樹脂剤９を充填することで、直交方向１０１１ｄにおいて金属板５が物理的に移動できるスペースがなくなるため、金属板５及び絶縁シート２が封止体１０１１から剥離するのを防ぐことができる。
【００３８】
一方、充填した樹脂剤９が温度変化で生じた熱応力によって、冷却装置１０２との界面から剥離することも考えられる。樹脂剤９が冷却装置１０２から剥離した場合、樹脂剤９の充填によって得られる上述の応力低減の効果は小さくなってしまう。そこで、樹脂剤９が冷却装置１０２より剥離しにくくなるよう、既に説明したように、樹脂剤９として、冷却装置１０２との密着性が高い材料を用いることが好ましい。さらに、既に説明したように、上記密着性を向上させるため、冷却装置１０２に凹部６２を形成している。よって、本実施形態の半導体装置１１０は、樹脂剤９が冷却装置１０２から剥離するのを抑制し、上述の応力低減の効果を維持することができる。
【００３９】
また、冷却装置１０２を構成する枠体６の材料における線膨張係数に近い線膨張係数を有する樹脂剤９を用いることが好ましい。例えば、枠体６との線膨張係数差が±１０ｐｐｍ／℃程度以下の樹脂剤９を用いることで、樹脂剤９が枠体６から剥離するのを防ぐことができることを実験的に検証している。
【００４０】
また、半導体素子１にＳｉＣを用いた場合、その特徴を生かすべく、Ｓｉの場合と比較してより高温で動作させることになる。よって、半導体装置として、より高い信頼性が求められることになる。このようなＳｉＣデバイスを搭載する半導体装置において、本実施形態の構成を採ることは、高信頼性を有する半導体装置を実現することが可能となり、その効果が特に大きい。
【００４１】
実施の形態２．
次に、本実施の形態２における半導体装置について、図６を参照して以下に説明する。
本実施の形態２における半導体装置１２０と、図１を参照して上述した半導体装置１１０との相違点は、リードフレーム１１が内接合材４２を用いて半導体素子１と接合されている点、及び、樹脂剤９を隙間１０３から封止体１０１１の側面１０１１ａまで延在させて設けた点である。このような構成を有する実施形態２における半導体モジュールについて、１０１−２の符号を付す。
尚、半導体装置１２０におけるその他の構成については、上述した半導体装置１１０と同じであり、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１１０と同じであるため、説明を省略する。
【００４２】
上述の相違点により、本実施の形態２における半導体装置１２０は、以下の効果を得ることができる。勿論、半導体装置１２０においても、半導体装置１１０が有する上述した効果を奏することは言うまでもない。
リードフレーム１１をワイヤボンドではなく内接合材４２を用いて半導体素子１と接合することにより、半導体素子１とリードフレーム１１との接合面積及び接合強度が増す。よって、ワイヤボンドで接合したときと比較して、熱的信頼性が向上する。ここで、内接合材４２は、内接合材４や内接合材４１と同じ材料を用いてもよい。
【００４３】
また、接合することにより、上述の第２工程のフレーム接合工程において、リードフレーム１０と共に接合が可能となることから、上述の第３工程のワイヤボンド工程を削除することができる。また、半導体素子１とリードフレーム１１との位置関係が固定されるため、上述の第４工程のモールド工程での金型投入時における部材の位置決めが容易になる。
【００４４】
また、樹脂剤９を封止体１０１１の側面１０１１ａまで延在させて充填することで、半導体モジュール１０１−２全体を固定することができ半導体モジュール１０１−２全体の変形が抑制され、外接合材７に生じる熱応力がさらに低減される。よって、外接合材７における接合材のクラックの発生可能性をさらに抑制することができる。その結果、さらに製品の信頼性を向上されることができる。
尚、本実施の形態２における構成を、実施の形態１における半導体装置に適用することも勿論可能である。
【００４５】
実施の形態３．
次に、本実施の形態３における半導体装置について、図７を参照して以下に説明する。
本実施の形態３における半導体装置１３０と、図６を参照して上述した実施形態２の半導体装置１２０との相違点は、金属板５の露出面５１を含む、封止体１０１１の接続面１０１１ｃは、露出面５１に対向する表面１０１１ｂに比べて面積を小さくした点である。つまり、半導体装置１３０は、図７に示すように、封止体１０１１の側面１０１１ａにおいて、一体的に形成された金属板５及び絶縁シート２に対応する側面部分を、封止体１０１１の内側方向へ凹ませた構成を有する。このような構成を有する実施形態３における半導体モジュールについて、１０１−３の符号を付す。
尚、半導体装置１３０におけるその他の構成については、上述した半導体装置１２０と同じであり、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１１０の場合と同じであるため、説明を省略する。
【００４６】
上述の相違点により、本実施の形態３における半導体装置１３０は、以下の効果を得ることができる。勿論、半導体装置１３０においても、半導体装置１１０、１２０が有する上述した効果を奏することは言うまでもない。
上述したように絶縁シート２及び金属板５の周囲に対応した部分のモールド樹脂８の厚みを薄くすることで、つまり封止体１０１１の幅を小さくすることで、実施の形態２の場合に比べると、封止体１０１１の側面１０１１ｃまで延在する樹脂剤９が、一体的に形成された金属板５及び絶縁シート２により近づいて配置される。よって、モールド樹脂８の厚みが薄い分、一体的に形成された金属板５及び絶縁シート２の、熱膨張に起因する直交方向１０１１ｄにおける移動や変位がより効果的に抑制される。したがって、実施の形態２の半導体装置１２０に比して、外接合材７に生じる熱応力がさらに低減され、外接合材７の接合材のクラックをさらに抑制することが可能となる。その結果、さらに製品の信頼性を向上されることができる。
【符号の説明】
【００４７】
１ 半導体素子、２ 絶縁シート、３ ヒートスプレッダ、５ 金属板、６ 枠体、
５２ 接合領域、５３ 非接合領域、５４ 接合材周囲領域、
６２ 凹部、６３ 接合周囲領域、
１０１、１０１−２、１０１−３ 半導体モジュール、
１１０，１２０，１３０ 半導体装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関し、特に電力用半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に半導体モジュールは、その放熱性を向上させるため、グリスを介して冷却装置に取り付けられている。例えば電力用半導体スイッチング素子等の発熱素子を搭載するパワーモジュールでは、放熱構造が重要となる。このため、一般的にパワーモジュールは、冷却器（ヒートシンク）に締結されて実装される。この際、パワーモジュールと冷却器との間に空隙が生じると熱伝導性が悪化するため、熱伝導性グリスを介してパワーモジュールを冷却器に取付ける実装構造が一般的に用いられている。
【０００３】
一方、半導体モジュールを小型軽量化するためには、半導体モジュールそのものの小型化、又は半導体モジュールを有する半導体装置全体の放熱性を向上させることによる冷却器の小型化を図ることが重要である。例えば特許文献１は、パワーモジュール及び冷却器の実装構造を開示しており、その特徴的構成は、パワーモジュール及び冷却器の互いの対向面の少なくとも一方に熱伝導性グリスを浸入させるグリス浸入部を設けた点である。このグリス浸入部は、パワーモジュールと冷却器との締結力の反力であるグリス面圧によるパワーモジュールの変形量を抑制し、グリス浸入部以外の領域でのグリス膜厚を減少させるとともに均一化させる。これにより、パワーモジュール全体の放熱性を高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１９６５７６号公報（図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一方、半導体モジュール内部の放熱性の向上に伴い、半導体モジュールと冷却装置とに介在させる熱伝導性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。よって、上述のようなグリス膜厚の薄肉化による方法では、放熱性向上は限界に来ている。
【０００６】
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の間を、はんだ接合するという手法が知られている。この半田接合による構成では、半導体モジュールから生じるヒートサイクルに起因する、半導体モジュールと冷却装置とのはんだ接合部におけるクラック発生を防止して放熱性の劣化を防止すること、即ち、はんだ接合部の寿命を確保することが、製品の高信頼化を実現する上で重要となる。
【０００７】
また、半導体モジュールにおいて金属板と絶縁層とを一体化した構造を有し、半導体モジュールの冷却装置に対向させる表面に金属板を露出させて、半導体モジュールと冷却装置とをはんだ付け可能としたタイプも上市されている。このタイプでは、はんだ接合により放熱性を向上させることができる。
【０００８】
しかしながら、この金属板を有するタイプの半導体モジュールの場合、金属板と一体化された絶縁層が、ヒートサイクルによりはんだに生じる熱応力によって半導体モジュールから剥離し、放熱性や絶縁性が劣化することが問題となる。そのため、金属板を有するタイプの半導体モジュールの場合、半導体モジュールと冷却装置とのはんだ接合部における寿命確保に加えて絶縁層の寿命確保も、製品の高信頼化を実現する上で重要となる。
【０００９】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたもので、金属板と一体化した絶縁層を有するタイプの半導体モジュールを備え、従来よりも製品の高信頼化を実現可能な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】
【００１０】
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、及び、絶縁層と一体的に形成された金属板を樹脂にて封止した封止体を有しこの封止体の一面に上記金属板を露出させた半導体モジュールと、金属板の露出面に対向して配置され、接合材を介して上記露出面に接合される放熱部材とを備えた半導体装置であり、上記金属板の露出面は、接合材で接合される接合領域と、接合材が接触せず接合されない非接合領域とを有し、当該半導体装置は、さらに樹脂剤を備え、この樹脂剤は、上記非接合領域、上記半導体モジュールと上記放熱部材とを接合した接合材の周囲に対応する接合材周囲領域、及び上記金属板の露出面に対面する上記放熱部材の接合材接合面において上記金属板と接合された部分の周囲に対応する接合周囲領域に対して設けられることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の一態様における半導体装置によれば、まず、半導体モジュールでは、露出している金属板は、放熱部材と接合材で接合されている。よって、半導体モジュールと放熱部材とがグリスを介して接合される場合に比べて、両者間の熱伝導性が向上し、半導体モジュールの放熱性を向上できるという効果がある。したがって、製品の小型化、製品包装の小型化を図ることができ、また、高冷却能力を要しなくなるので省エネルギーにもつながる。
【００１２】
また、金属板が接合材との接合領域及び非接合領域を有することで、金属板の全体を接合する場合と比較すると、接合面積を小さくすることができる。よって、接合材のクラックによる不良を抑制することができ、製品の信頼性の向上を図ることができる。
【００１３】
さらに、金属板における非接合領域、接合する接合材の接合材周囲領域、及び放熱部材における接合周囲領域に樹脂剤を設けたことで、一体的に形成されている金属板及び絶縁層は、移動あるいは変位することが物理的に困難になる。よって、絶縁層が金属板及び封止体から剥離することを防止することができる。さらに移動又は変位が制限されることで、接合材に生じる熱応力を低減することができる。よって、接合材のクラックの進展を抑制することができるという効果もある。したがって、接合材接合部分及び絶縁層の劣化を防止し寿命を確保できることから、従来に比べて製品の高信頼化を実現することが可能となる。また、製品の長寿命化を図ることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【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−Ａ部における断面図である。
【図３】図１に示す半導体装置の変形例におけるＡ−Ａ部における断面図である。
【図４】図１に示す半導体装置の別の変形例におけるＡ−Ａ部における断面図である。
【図５】図１に示す半導体装置のさらに別の変形例におけるＡ−Ａ部における断面図である。
【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】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】
【００１５】
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、対応する各構成部分のサイズや縮尺はそれぞれ独立しており、例えば構成部分の一部を変更した断面図間において、変更していない同一構成部分のサイズや縮尺が相違する場合もある。また、該半導体装置の構成について、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、モールド樹脂内のダイオード素子等）。
【００１６】
実施の形態１．
本発明の実施の形態１における半導体装置について、図を参照して説明する。
図１に示すように、実施の形態１における半導体装置１１０は、大きく分けて、半導体モジュール１０１と、放熱部材の一例に相当する冷却装置１０２とを備え、半導体モジュール１０１と冷却装置１０２とは、外接合材７にて接合されている。さらに、本実施形態の半導体装置１１０は、特徴的構成の一つとして、半導体モジュール１０１と冷却装置１０２との接合部分に樹脂剤９を備える。これらの構成部分について、以下に詳しく説明する。
【００１７】
まず、半導体モジュール１０１について説明する。
半導体モジュール１０１の概略構成は、半導体素子１、及び、絶縁シート２と一体的に形成された金属板５を備え、これらをモールド樹脂８にて封止して封止体１０１１を形成する。このとき、封止体１０１１の一面には、金属板５を露出させている。また、半導体素子１は、ヒートスプレッダ３の実装面３ａに実装されている。これらの構成部分については、以下でさらに詳しく説明する。尚、半導体モジュール１０１に含まれるが、本発明の構成とは直接に関係しない構成部分、例えば、半導体素子１に電気信号を供給するＡｌワイヤ１５等については、説明を省略する。
【００１８】
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、動作に伴い発熱する素子である。尚、半導体素子１は、電力用素子に限定するものではない。また、その個数は、１個以上であればよい。半導体素子１の構成材料として、ＳｉやＳｉＣ等が用いられる。
【００１９】
絶縁シート２は、絶縁層の機能を果たす一例に相当し、電気的絶縁材料にてなり、放熱性向上のため熱伝導率の大きい材料が好ましい。本実施の形態１では、絶縁シート２は、高い熱伝導率を有するセラミックのフィラーをエポキシ樹脂に混合した樹脂材であるが、これに限定されない。
【００２０】
ヒートスプレッダ３は、金属部材の機能を果たす一例に相当し、当該ヒートスプレッダ３の実装面３ａに実装される半導体素子１の電極としての役割と、熱拡散部材としての役割とを果たす部材である。即ち、半導体素子１で発生した熱がヒートスプレッダ３の実装面３ａに対向する対向面３ｂに対して広がることで、ヒートスプレッダ３は、半導体素子１の放熱性を向上させる。対向面３ｂが絶縁シート２に接触した状態で、ヒートスプレッダ３は配置される。また、このヒートスプレッダ３にリードフレーム１０、１１を電気的に接続することによって、半導体素子１に通電が行われる。尚、リードフレーム１０、１１は、本実施形態では、一方端が半導体素子１の主電極に電気的に接続された厚さ１ｍｍのＣｕ板である。
【００２１】
このため、ヒートスプレッダ３は、熱伝導率、電気伝導性が良い材料が好ましく、例えばＣｕや、はんだ付け可能なＮｉメッキをしたＡｌ等が使用可能である。尚、ヒートスプレッダ３は、これらの材料に限定するものではなく、熱及び電気伝導性が良い材料であればよい。本実施形態では、ヒートスプレッダ３は、一例として、厚さ３ｍｍのＣｕ板である。また、ヒートスプレッダ３の形状は、図１に示すようなブロック形に限らず、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よく、この場合には、リードフレーム１０等と一体的に形成可能になるなどの利点がある。
【００２２】
また、ヒートスプレッダ３の実装面３ａには、内接合材４を用いて半導体素子１が接合される。この内接合材４及び下記外接合材７は、融点の比較的低い金属材料であることが望ましい。内接合材４としては、例えばＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだや、Ｓｎ−Ｓｂ系のはんだ等が用いられる。また、後述する外接合材７による接合工程において内接合材４が溶融すると、溶融による体積膨張により、封止体１０１１を内部から破壊してしまう等の不具合が考えられる。このような不具合を防止するため、内接合材４は、外接合材７に使用する材料よりも融点が高い材料が好ましい。例えば、内接合材４としてＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕはんだを用いた場合には、外接合材７としては、Ｓｎ−５８Ｂｉはんだを用いるのが好ましく、また、内接合材４としてＳｎ−１０Ｓｂはんだを用いた場合には、外接合材７として、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕはんだ等を用いるのが好ましい。本実施形態では、内接合材４は、一例として、厚さ１５０μｍのＳｎ−１０Ｓｂはんだである。ここで、内接合材４としては、融点の比較的低い金属材料以外の、例えば銀ペーストや銅ナノパウダー等の導電性接着剤を用いても良い。
【００２３】
金属板５は、絶縁シート２と一体的に形成され、絶縁シート２の一側面の全面を覆う金属材であり、絶縁シート２と同形状である。本実施の形態１では、方形状で厚さ０．１ｍｍの銅箔である。尚、金属板５の材料及び形状は、本実施の形態１のものに限られず、絶縁シート２と一体的に形成されている金属板であればよい。また、半導体素子１を実装したヒートスプレッダ３の対向面３ｂに絶縁シート２を接触させた状態で、これらはモールド樹脂８にて封止され封止体１０１１が形成されるが、金属板５は、封止体１０１１の一面に露出する。このように露出面５１を有する金属板５は、半導体モジュール１０１と冷却装置１０２との、外接合材７による、接合領域５２での接合を可能にするための部材であり、例えば、露出面５１をＮｉめっき処理することで、金属板５そのものはＡｌ箔等でもよい。また、半導体モジュール１０１の放熱性を向上させるために、金属板５は熱伝導率の大きい材料を用いるのが好ましい。ここで、金属板５の厚さは、０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度が好ましい。
【００２４】
図２に示すように、さらに金属板５は、露出面５１において、外接合材７で接合される接合領域５２と、外接合材７が接触せず接合されない非接合領域５３とを有する。ここで外接合材７は、例えば上述したようなＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだや、より融点の低いＳｎ−Ｂｉ系はんだ等を用いるのが好ましい。本実施形態では、外接合材７は、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕはんだを用いており、厚さ３００μｍである。ここで、外接合材７としては、内接合材４と同様に、融点の比較的低い金属材料以外の、例えば銀ペーストや銅ナノパウダー等の接着剤を用いても良い。
【００２５】
また、図２では、一例として、露出面５１において、金属板５の外周から１．５ｍｍの幅のＡｌメッキにて、接合領域５２の全周囲を取り囲んで、非接合領域５３が配置される形態を示している。しかしながらこれに限定されず、非接合領域５３は、金属板５の露出面５１の、少なくとも四隅５１ａ及びその周辺の領域に設けられればよい。よって、接合領域５２及び非接合領域５３は、例えば図３、図４、及び図５に示すような形態であってもよい。
【００２６】
また金属板５がはんだ接合可能な材料である場合、非接合領域５３は、金属板５と同一材料でなくてもよく、金属板５の露出面５１に、予めはんだ非接合処理を施すことで形成することができる。はんだ非接合処理としては、例えば、有機材料によって金属板５の露出面５１を処理することや、外接合材７に濡れない金属を露出面５１に存在させること等がある。
逆に、金属板５がはんだ接合できない材料（例えばＡｌ等）である場合には、金属板５の露出面５１に、予めはんだ接合処理を施すことで、接合領域５２を形成することができる。はんだ接合処理としては、上述のように、露出面５１にＮｉメッキ等を施すこと等がある。
【００２７】
モールド樹脂８は、半導体素子１と、ヒートスプレッダ３と、リードフレーム１０、１１と、絶縁シート２及び金属板５とを、これらの構成部分が上述したように構成された状態にて、樹脂封止する熱硬化性の樹脂材であり、封止により封止体１０１１を構成している。本実施形態ではモールド樹脂８はエポキシ樹脂である。尚、リードフレーム１０、１１の他端、及び、金属板５の一部である露出面５１は、封止体１０１１の外表面より外部に露出している。モールド樹脂８の材料は、半導体モジュールの信頼性を向上できるものであればよいが、本実施の形態１のように、トランスファーモールド法にて半導体モジュール１０１を形成するものが好ましい。
このようにして、半導体モジュール１０１が形成される。
【００２８】
次に、冷却装置１０２について説明する。
冷却装置１０２は、半導体素子１で発生した熱を放熱して半導体装置１１０全体を冷却するための装置であり、放熱部材の機能を果たす一例に相当する。本実施の形態１では、冷却装置１０２は、図１に示すように、Ａｌで形成された筒状の枠体６と、枠体６内に冷媒の一例としての冷却水を供給する冷却水供給部６５とを有する。枠体６は、半導体モジュール１０１における金属板５の露出面５１に対面して位置する接合材接合面６１を有する。接合材接合面６１は、外接合材７によって金属板５と接合可能な形状及び材料にて構成されればよい。本実施形態の場合、Ａｌ材の枠体６であることから、接合材接合面６１には、Ｎｉメッキを施している。
【００２９】
また、枠体６内には、枠体６と冷却水との熱交換効率を向上させるフィン６６が設けられている。尚、冷却装置１０２を構成する材料、形状は、本実施の形態１の例に限定するものではなく、外接合材７によって金属板５と接合可能で、半導体素子１で発生した熱を放熱できるものであればよい。例えば、水冷に比べ放熱性は劣るが、例えば、図１の紙面に直角方向に延在する複数の羽部材を設けた形状で、表面積の増加により放熱性を向上させた空冷フィン等でも良い。
【００３０】
さらに、枠体６は、接合材接合面６１に、樹脂剤９が注入あるいは充填される凹部６２を有する。この凹部６２は、枠体６において金属板５と接合された部分の周囲に相当する接合周囲領域６３に形成される。凹部６２の形状は、図１に示すような形状に限定するものではなく、樹脂剤９との密着性を向上可能な形状であれば良い。この観点から特に、凹部６２は、例えば蟻溝型や蛸壺型のように、表面の開口部よりも内側収容部が大きい、アンカー効果の高い形状が好ましい。尚、樹脂剤９の密着性が比較的高い場合には、凹部６２は設けなくても良いが、この場合でも、設けた方がさらに樹脂剤９の密着性を高めるので好ましい。
【００３１】
次に、本実施形態における特徴的構成の一つである樹脂剤９について説明する。
樹脂剤９は、金属板５の露出面５１を含む封止体１０１１の接続面１０１１ｃと冷却装置１０２の枠体６との隙間１０３において、金属板５における非接合領域５３、外接合材７の接合材周囲領域５４、及び枠体６の接合周囲領域６３に設けられる。ここで接合材周囲領域５４は、半導体モジュール１０１と冷却装置１０２とを接合している外接合材７の周縁の領域に相当する。また、接合周囲領域６３には上述のように凹部６２が形成されていることから、樹脂剤９が特に凹部６２に入り込むことが重要となる。
【００３２】
このような樹脂剤９として本実施形態ではエポキシ樹脂が用いられる。しかしながら、これに限定されない。つまり、後述するように、半導体素子１の発熱により引き起こされる可能性がある、絶縁シート２に対する金属板５の剥離を防止でき、かつ外接合材７の信頼性を向上可能とし、かつ外接合材７の融点以下で硬化可能であるような樹脂剤であればよい。また、樹脂剤９は、必要部位への充填性を考慮すると粘度は低い方が好ましく、また、非接合領域５３と冷却装置１０２の材料との密着性が高い方が好ましい。
【００３３】
次に、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１１０の製造方法について、図１を参照して説明する。半導体装置１１０の製造では、以下に示す１〜６の工程を含む。即ち、
１．半導体素子１とヒートスプレッダ３とを内接合材４を用いて接合するダイボンド工程。
２．半導体素子１が接合されたヒートスプレッダ３にリードフレーム１０を内接合材４１を用いて接合するフレーム接合工程。ここで、内接合材４１は、内接合材４と同じ材料を用いてもよい。
３．リードフレーム１１と半導体素子１とをワイヤボンドで接合するワイヤボンド工程。
４．リードフレーム１０、１１が接合されたヒートスプレッダ３、及び、金属板５と一体的に形成された絶縁シート２を、金型内で一体的にモールドすることで半導体モジュール１０１とするモールド工程。
５．モールドが完了した半導体モジュール１０１における露出面５１の接合領域５２と、冷却装置１０２の接合材接合面６１とを外接合材７を用いて接合する接合工程。
６．樹脂剤９を、非接合領域５３、枠体６の接合周囲領域６３、特に凹部６２、及び外接合材７の接合材周囲領域５４に充填し、熱硬化させる樹脂充填工程。
【００３４】
以上説明した、本実施の形態１による半導体装置１１０によれば、以下のような効果が得られる。
まず、半導体モジュール１０１の金属板５と冷却装置１０２とを外接合材７を用いて接合することによって、グリスを用いた場合と比較して、接合材はグリスより熱伝導率が大きいため、半導体装置１１０の放熱性を向上することができる。
【００３５】
また、金属板５における露出面５１の全体と、冷却装置１０２とを外接合材７にて接合した場合、半導体素子１の発熱による温度変化によって金属板５及び冷却装置１０２がそれぞれ熱膨張するが、金属板５と冷却装置１０２との各熱膨張率の違いにより、外接合材７には熱応力が発生する。この熱応力は、金属板５の端部で最大となる。また、この熱応力は、外接合材７に接合材のクラックを発生させ、該クラックが進展することで、半導体装置１１０全体の放熱性を劣化させる可能性がある。
さらに、上述のように金属板５の端部で外接合材７に生じる熱応力が最大となることで、金属板５と一体的に形成されている絶縁シート２が半導体モジュール１０１の封止体１０１１から剥離し、半導体モジュール１０１の放熱性や絶縁性を劣化させることが考えられる。そのため、半導体装置１１０の信頼性をより向上させるためには、金属板５及び絶縁シート２の剥離や、外接合材７に生じる接合材のクラックを抑制することが重要となる。
【００３６】
本実施形態の半導体装置１１０では、上述したように、外接合材７の接合材周囲領域５４に樹脂剤９を設けたことによって、封止体１０１１の厚み方向に直交する直交方向１０１１ｄにおいて、一体形成されている金属板５及び絶縁シート２の熱膨張差による移動あるいは変位が物理的に抑えられるため、外接合材７に生じる熱応力を低減することができる。よって、外接合材７に生じる接合材のクラックを抑制することが可能となる。その結果、半導体装置１１０全体の放熱性を劣化が抑制され、製品の信頼性を従来に比べて向上させることができる。
【００３７】
また、上述のように、金属板５の露出面５１の少なくとも四隅５１ａ、さらには露出面５１の外周部に非接合領域５３を設けている。これにより、金属板５全体を接合した場合と比較して、金属板５端部での熱応力は低減される。さらに樹脂剤９を充填することで、直交方向１０１１ｄにおいて金属板５が物理的に移動できるスペースがなくなるため、金属板５及び絶縁シート２が封止体１０１１から剥離するのを防ぐことができる。
【００３８】
一方、充填した樹脂剤９が温度変化で生じた熱応力によって、冷却装置１０２との界面から剥離することも考えられる。樹脂剤９が冷却装置１０２から剥離した場合、樹脂剤９の充填によって得られる上述の応力低減の効果は小さくなってしまう。そこで、樹脂剤９が冷却装置１０２より剥離しにくくなるよう、既に説明したように、樹脂剤９として、冷却装置１０２との密着性が高い材料を用いることが好ましい。さらに、既に説明したように、上記密着性を向上させるため、冷却装置１０２に凹部６２を形成している。よって、本実施形態の半導体装置１１０は、樹脂剤９が冷却装置１０２から剥離するのを抑制し、上述の応力低減の効果を維持することができる。
【００３９】
また、冷却装置１０２を構成する枠体６の材料における線膨張係数に近い線膨張係数を有する樹脂剤９を用いることが好ましい。例えば、枠体６との線膨張係数差が±１０ｐｐｍ／℃程度以下の樹脂剤９を用いることで、樹脂剤９が枠体６から剥離するのを防ぐことができることを実験的に検証している。
【００４０】
また、半導体素子１にＳｉＣを用いた場合、その特徴を生かすべく、Ｓｉの場合と比較してより高温で動作させることになる。よって、半導体装置として、より高い信頼性が求められることになる。このようなＳｉＣデバイスを搭載する半導体装置において、本実施形態の構成を採ることは、高信頼性を有する半導体装置を実現することが可能となり、その効果が特に大きい。
【００４１】
実施の形態２．
次に、本実施の形態２における半導体装置について、図６を参照して以下に説明する。
本実施の形態２における半導体装置１２０と、図１を参照して上述した半導体装置１１０との相違点は、リードフレーム１１が内接合材４２を用いて半導体素子１と接合されている点、及び、樹脂剤９を隙間１０３から封止体１０１１の側面１０１１ａまで延在させて設けた点である。このような構成を有する実施形態２における半導体モジュールについて、１０１−２の符号を付す。
尚、半導体装置１２０におけるその他の構成については、上述した半導体装置１１０と同じであり、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１１０と同じであるため、説明を省略する。
【００４２】
上述の相違点により、本実施の形態２における半導体装置１２０は、以下の効果を得ることができる。勿論、半導体装置１２０においても、半導体装置１１０が有する上述した効果を奏することは言うまでもない。
リードフレーム１１をワイヤボンドではなく内接合材４２を用いて半導体素子１と接合することにより、半導体素子１とリードフレーム１１との接合面積及び接合強度が増す。よって、ワイヤボンドで接合したときと比較して、熱的信頼性が向上する。ここで、内接合材４２は、内接合材４や内接合材４１と同じ材料を用いてもよい。
【００４３】
また、接合することにより、上述の第２工程のフレーム接合工程において、リードフレーム１０と共に接合が可能となることから、上述の第３工程のワイヤボンド工程を削除することができる。また、半導体素子１とリードフレーム１１との位置関係が固定されるため、上述の第４工程のモールド工程での金型投入時における部材の位置決めが容易になる。
【００４４】
また、樹脂剤９を封止体１０１１の側面１０１１ａまで延在させて充填することで、半導体モジュール１０１−２全体を固定することができ半導体モジュール１０１−２全体の変形が抑制され、外接合材７に生じる熱応力がさらに低減される。よって、外接合材７における接合材のクラックの発生可能性をさらに抑制することができる。その結果、さらに製品の信頼性を向上されることができる。
尚、本実施の形態２における構成を、実施の形態１における半導体装置に適用することも勿論可能である。
【００４５】
実施の形態３．
次に、本実施の形態３における半導体装置について、図７を参照して以下に説明する。
本実施の形態３における半導体装置１３０と、図６を参照して上述した実施形態２の半導体装置１２０との相違点は、金属板５の露出面５１を含む、封止体１０１１の接続面１０１１ｃは、露出面５１に対向する表面１０１１ｂに比べて面積を小さくした点である。つまり、半導体装置１３０は、図７に示すように、封止体１０１１の側面１０１１ａにおいて、一体的に形成された金属板５及び絶縁シート２に対応する側面部分を、封止体１０１１の内側方向へ凹ませた構成を有する。このような構成を有する実施形態３における半導体モジュールについて、１０１−３の符号を付す。
尚、半導体装置１３０におけるその他の構成については、上述した半導体装置１２０と同じであり、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１１０の場合と同じであるため、説明を省略する。
【００４６】
上述の相違点により、本実施の形態３における半導体装置１３０は、以下の効果を得ることができる。勿論、半導体装置１３０においても、半導体装置１１０、１２０が有する上述した効果を奏することは言うまでもない。
上述したように絶縁シート２及び金属板５の周囲に対応した部分のモールド樹脂８の厚みを薄くすることで、つまり封止体１０１１の幅を小さくすることで、実施の形態２の場合に比べると、封止体１０１１の側面１０１１ｃまで延在する樹脂剤９が、一体的に形成された金属板５及び絶縁シート２により近づいて配置される。よって、モールド樹脂８の厚みが薄い分、一体的に形成された金属板５及び絶縁シート２の、熱膨張に起因する直交方向１０１１ｄにおける移動や変位がより効果的に抑制される。したがって、実施の形態２の半導体装置１２０に比して、外接合材７に生じる熱応力がさらに低減され、外接合材７の接合材のクラックをさらに抑制することが可能となる。その結果、さらに製品の信頼性を向上されることができる。
【符号の説明】
【００４７】
１ 半導体素子、２ 絶縁シート、３ ヒートスプレッダ、５ 金属板、６ 枠体、
５２ 接合領域、５３ 非接合領域、５４ 接合材周囲領域、
６２ 凹部、６３ 接合周囲領域、
１０１、１０１−２、１０１−３ 半導体モジュール、
１１０，１２０，１３０ 半導体装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子、及び、絶縁層と一体的に形成された金属板を樹脂にて封止した封止体を有しこの封止体の一面に上記金属板を露出させた半導体モジュールと、金属板の露出面に対向して配置され、接合材を介して上記露出面に接合される放熱部材とを備えた半導体装置において、
上記金属板の露出面は、接合材で接合される接合領域と、接合材が接触せず接合されない非接合領域とを有し、
当該半導体装置は、さらに樹脂剤を備え、この樹脂剤は、上記非接合領域、上記半導体モジュールと上記放熱部材とを接合した接合材の周囲に対応する接合材周囲領域、及び上記金属板の露出面に対面する上記放熱部材の接合材接合面において上記金属板と接合された部分の周囲に対応する接合周囲領域に対して設けられる、
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
上記半導体モジュールは、上記半導体素子を実装する金属部材をさらに有し、この金属部材は、半導体素子を実装した実装面に対向する対向面を上記絶縁層に接して配置され実装された半導体素子とともに樹脂封止される、請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
上記金属板の露出面は方形状の平面形状であり、上記非接合領域は、露出面の四隅に配置される、請求項１又は２記載の半導体装置。
【請求項４】
上記非接合領域は、上記接合材周囲領域で上記露出面の四隅以外に配置される、請求項３記載の半導体装置。
【請求項５】
上記接合領域は、上記金属板の露出面に予め接合材接合処理が施された領域であり、上記非接合領域は、上記露出面に予め接合材非接合処理が施された領域である、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】
上記放熱部材は、上記接合材接合面における上記接合周囲領域に、上記樹脂剤が注入される凹部を有する、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】
上記樹脂剤は、上記半導体モジュールと上記放熱部材との隙間から上記半導体モジュールにおける上記封止体の側面まで設けられる、請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項８】
上記半導体モジュールの封止体は、上記金属板の露出面を含む接続面に対向する封止体表面を有し、上記接続面は封止体表面に比べて小さい面積を有する、請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項９】
上記樹脂剤は、上記非接合領域、上記接合材周囲領域、及び上記放熱部材における接合周囲領域において、上記半導体モジュール及び上記放熱部材に固着している、請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１０】
上記接合材は、融点の比較的低い金属材料である、請求項１から９のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１１】
上記金属板は、厚さ１００μｍ程度の金属箔からなる、請求項１から１０のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１】
半導体素子、及び、絶縁層と一体的に形成された金属板を樹脂にて封止した封止体を有しこの封止体の一面に上記金属板を露出させた半導体モジュールと、金属板の露出面に対向して配置され、接合材を介して上記露出面に接合される放熱部材とを備えた半導体装置において、
上記金属板の露出面は、接合材で接合される接合領域と、接合材が接触せず接合されない非接合領域とを有し、
当該半導体装置は、さらに樹脂剤を備え、この樹脂剤は、上記非接合領域、上記半導体モジュールと上記放熱部材とを接合した接合材の周囲に対応する接合材周囲領域、及び上記金属板の露出面に対面する上記放熱部材の接合材接合面において上記金属板と接合された部分の周囲に対応する接合周囲領域に対して設けられる、
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
上記半導体モジュールは、上記半導体素子を実装する金属部材をさらに有し、この金属部材は、半導体素子を実装した実装面に対向する対向面を上記絶縁層に接して配置され実装された半導体素子とともに樹脂封止される、請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
上記金属板の露出面は方形状の平面形状であり、上記非接合領域は、露出面の四隅に配置される、請求項１又は２記載の半導体装置。
【請求項４】
上記非接合領域は、上記接合材周囲領域で上記露出面の四隅以外に配置される、請求項３記載の半導体装置。
【請求項５】
上記接合領域は、上記金属板の露出面に予め接合材接合処理が施された領域であり、上記非接合領域は、上記露出面に予め接合材非接合処理が施された領域である、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】
上記放熱部材は、上記接合材接合面における上記接合周囲領域に、上記樹脂剤が注入される凹部を有する、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】
上記樹脂剤は、上記半導体モジュールと上記放熱部材との隙間から上記半導体モジュールにおける上記封止体の側面まで設けられる、請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項８】
上記半導体モジュールの封止体は、上記金属板の露出面を含む接続面に対向する封止体表面を有し、上記接続面は封止体表面に比べて小さい面積を有する、請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項９】
上記樹脂剤は、上記非接合領域、上記接合材周囲領域、及び上記放熱部材における接合周囲領域において、上記半導体モジュール及び上記放熱部材に固着している、請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１０】
上記接合材は、融点の比較的低い金属材料である、請求項１から９のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１１】
上記金属板は、厚さ１００μｍ程度の金属箔からなる、請求項１から１０のいずれか１項に記載の半導体装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１４２４６５（Ｐ２０１２−１４２４６５Ａ）
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６０（Ｐ２０１１−６０）
【出願日】平成２３年１月４日（２０１１．１．４）
【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２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月４日（２０１１．１．４）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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