JP7322467B2 - 半導体装置 - Google Patents

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、表面に電極を有する半導体素子と、電極に接合材を介して接合された端子とを備える。端子には、凸部が設けられている。端子は、その凸部において電極と接合されている。

特開平１１－０４０７２８号公報

上記した半導体装置では、端子の凸部が、例えばはんだといった接合材を介して、半導体素子の電極に接合されている。しかしながら、半導体素子の電極のサイズは比較的に小さい。従って、端子の凸部をその電極へ接合するときに、端子の意図しない位置ずれによって、例えば端子や接合材が、半導体素子の意図しない部分に接触するおそれがある。本明細書では、このような問題を解決又は少なくとも低減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、表面に電極を有する半導体素子と、その電極に接合材を介して接合された端子とを備える。半導体素子の電極には、端子に向けて突出して接合材に接する突出部が設けられている。

上記した半導体装置では、半導体素子の電極（以下、素子電極という）に、端子に向かって突出する突出部が設けられている。このような構成によると、端子と半導体素子の表面との間に一定の間隔を設けながら、端子と素子電極との間を接合することができる。従って、素子電極のサイズが比較的に小さい場合でも、端子や接合材が半導体素子の意図しない部分に接触することを避けることができる。

半導体装置１０の内部構造を示す断面図。 図１のＩＩ部における拡大図。信号端子１８と信号パッド１２ｃ及び突出部１２ｄの構成を明確に示すために、封止体２０の図示は省略する。図７、８、９、１０についても同様に、封止体２０の図示は省略する。 信号パッド１２ｃに突出部１２ｄが設けられた半導体素子１２を用意する工程を示す図。 上側放熱板１６及び信号端子１８を用意し、各々に予備はんだを配置する工程を示す図。 上側放熱板１６及び信号端子１８に半導体素子１２をはんだ付けする工程を示す図。 半導体素子１２を下側放熱板１４にはんだ付けする工程を示す図。 信号端子１８の一変形例を示す断面図。 信号端子１８の他の一変形例を示す断面図。 突出部１２ｄの一変形例を示す断面図。 突出部１２ｄの他の一変形例を示す断面図。

本技術の一実施形態では、端子において接合材が接触する範囲を、半導体素子の表面に投影した投影範囲内に、素子電極の突出部の全体が包含されていてもよい。このような構成によると、端子が半導体素子の表面に対して平行な方向に位置ずれしたとしても、素子電極の突出部が端子に対向し続けることができるので、端子と素子電極との間を適切に接合することができる。即ち、半導体素子に対する端子の位置ずれを、ある程度まで許容することができる。

上記に加えて、端子において接合材が接触する範囲を、半導体素子の表面に投影した投影範囲内に、素子電極の全体が包含されていてもよい。このような構成によると、半導体素子に対する端子の位置ずれを、より大きな程度まで許容することができる。

本技術の一実施形態では、端子には、素子電極の突出部に対向して凹部が設けられていてもよい。この場合、接合材が凹部の内面に接触していてもよい。このような構成によると、接合材の端子上での濡れ広がりが、凹部を形成するエッジによって抑制される。これにより、余剰な接合材が半導体素子の意図しない部分に接触することが防止される。

上記に代えて、端子には、素子電極の突出部と対向して、凸部が設けられていてもよい。この場合、接合材が凸部の頂面に接触していてもよい。このような構成によると、接合材の端子上での濡れ広がりが、凸部を形成するエッジによって抑制される。これにより、余剰な接合材が半導体素子の意図しない部分に接触することが防止される。

上記に加えて、端子の凸部の頂面を、半導体素子の表面に投影した投影範囲内に、突出部の全体が包含されていてもよい。このような構成によると、端子が半導体素子の表面に対して平行な方向に位置ずれしたとしても、素子電極の突出部が端子の凸部に対向し続けることができるので、端子と素子電極との間を適切に接合することができる。即ち、半導体素子に対する端子の位置ずれを、ある程度まで許容することができる。両者を接合する接合材（例えば、はんだ）が、端子と素子電極との間に保持されることで、接合材が半導体素子の意図しない部分に接触することが防止される。

本技術の一実施形態では、突出部を構成する材料の融点が、接合材を構成する材料の融点より高くてもよい。このような構成によると、接合材を溶融させて端子と素子電極との間を接合するときに、突出部が変形することを避けることができる。

上記に加えて、又は代えて、突出部を構成する材料は、素子電極を構成する材料と異なっていてもよい。この場合に、突出部は、例えば概して球形状の金属といった、導体材料を用いて構成されていてもよい。一例ではあるが、この突出部は、例えばボールボンディングによって形成されることができる。但し、突出部を構成する材料は、特に限定されず、素子電極を構成する材料と同一であってもよい。

上記に加えて、又は代えて、突出部は、多孔質構造を有していてもよい。この場合に、突出部は、例えばコールドスプレー法によって形成されることができる。突出部が多孔質構造を有していると、接合材が多孔質構造に含侵することで、端子と素子電極との間が強固に接合される。

本技術の一実施形態では、突出部の高さ寸法が１００μｍ以上であってよい。

本技術の一実施形態では、半導体素子を封止する封止体をさらに備えていてもよい。この場合に、端子は、封止体の内部において、素子電極に接合材を介して接合されていてもよい。

図１－６を参照して、実施例の半導体装置１０及びその製造方法について説明する。半導体装置１０は、電力制御装置に採用され、例えばインバータやコンバータといった電力変換回路の一部を構成することができる。ここでいう電力制御装置は、例えば電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池車等に搭載される。

図１に示すように、半導体装置１０は、半導体素子１２、信号端子１８及び封止体２０を備える。半導体素子１２は、封止体２０の内部に封止されている。封止体２０は、例えばエポキシ樹脂といった絶縁性を有する材料を用いて構成されている。信号端子１８は、封止体２０から外部に向かって突出して延びている。信号端子１８は、封止体２０の内部において、半導体素子１２と電気的に接続されている。

半導体素子１２は、パワー半導体素子であって、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）又はＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。但し、半導体素子の数や種類については、特に限定されない。半導体素子１２を構成する材料には、例えばケイ素（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）又は他の種類の半導体材料を採用することができる。

半導体素子１２は、一対の主電極１２ａ、１２ｂと、信号端子１８に接続される信号パッド１２ｃを有する。一対の主電極１２ａ、１２ｂには、第１主電極１２ａと第２主電極１２ｂとが含まれている。第１主電極１２ａ及び信号パッド１２ｃは、半導体素子１２の一方の表面に位置しており、第２主電極１２ｂは、半導体素子１２の他方の表面に位置している。信号パッド１２ｃは、第１主電極１２ａに対して比較的に小さいサイズで設けられている。信号パッド１２ｃには、信号端子１８に向かって突出する突出部１２ｄが設けられている。一例ではあるが、突出部１２ｄは、概してドーム形状を有している。この突出部１２ｄの形状は、信号端子１８に向かうにつれて断面積が減少する。

一対の主電極１２ａ、１２ｂ、信号パッド１２ｃ及び突出部１２ｄは、ニッケル系又は他の金属といった導体材料を用いて構成されている。ここでいうニッケル系金属は、純ニッケル又はニッケルを主成分とした合金を示す。但し、突出部１２ｄを構成する材料は、これに限定されない。特に、突出部１２ｄを構成する材料は、接合材(本実施例では、はんだ)を構成する材料の融点より高い。突出部１２ｄは、信号パッド１２ｃと同一の材料で構成されていてもよいし、異なる材料で構成されていてもよい。なお、信号パッド１２ｃは、本明細書が開示する技術における電極（素子電極）の一例であり、信号端子１８は、本明細書が開示する技術における端子の一例である。

半導体装置１０は、下側放熱板１４と上側放熱板１６を備える。放熱板１４、１６は、概して直方体形状の部材であり、例えば、銅又は他の金属といった導体材料を用いて構成されている。下側放熱板１４は、第１主表面１４ａと、第１主表面１４ａの反対側に位置する第２主表面１４ｂを有する。下側放熱板１４の第１主表面１４ａは、半導体素子１２の第２主電極１２ｂにはんだ層２２を介して接合される。従って、下側放熱板１４は、半導体素子１２と電気的に接続される。下側放熱板１４の第２主表面１４ｂは、封止体２０の一方の面において露出される。

上側放熱板１６も、下側放熱板１４と同様に、第１主表面１６ａと、第１主表面１６ａの反対側に位置する第２主表面１６ｂを有する。上側放熱板１６には、第２主表面１６ｂから突出するスペーサ部１６ｃが設けられている。この点に関して、上側放熱板１６は、下側放熱板１４とは異なる。上側放熱板１６の第２主表面１６ｂは、半導体素子１２の第１主電極１２ａにはんだ層２４を介して接合される。従って、上側放熱板１６は、半導体素子１２と電気的に接続される。上側放熱板１６の第１主表面１６ａは、封止体２０の他方の面において露出される。以上より、下側放熱板１４及び上側放熱板１６は、半導体素子１２で発生する熱を放出する放熱板として機能する。

上側放熱板１６は、上記したものに限定されない。例えば、上側放熱板１６は、スペーサ部１６ｃを必ずしも必要としない。この場合、半導体装置１０は、上側放熱板１６のスペーサ部１６ｃに代えて、上側放熱板１６と半導体素子１２との間に、別体の導体スペーサを有してもよい。上側放熱板１６のスペーサ部１６ｃ又は導体スペーサによって、上側放熱板１６と半導体素子１２との間に、信号端子１８を信号パッド１２ｃに接合するスペースを必要に応じて設けることができる。

また、上記した上側放熱板１６と半導体素子１２との間、及び、半導体素子１２と下側放熱板１４との間は、例えばはんだといった導電性を有する接合材を用いて接合されている。但し、これらの接合は、接合材を用いたものに限定されず、他の態様による接合であってもよい。

信号端子１８は、概して細長い板形状の部材である。信号端子１８は、一端１８ａと、信号端子１８の長手方向において一端１８ａの反対側に位置する他端（図示省略）を有する。信号端子１８は、信号パッド１２ｃと部分的に対向している。信号端子１８は、例えば銅又は他の金属といった導体材料を用いて構成されており、上述したように、信号端子１８は、封止体２０の内部において、半導体素子１２と電気的に接続されている。詳しくは、信号端子１８の一端１８ａ側が、半導体素子１２の信号パッド１２ｃとはんだを介して接合されている。ここで、はんだは、本明細書が開示する技術における接合材の一例である。接合材は、はんだに限定されず、他の導電性を有する接合材であってよい。

上述したが、半導体素子１２の信号パッド１２ｃのサイズは比較的に小さい。従って、信号端子１８の一端１８ａ側を半導体素子１２の信号パッド１２ｃへ接合するときに、信号端子１８の意図しない位置ずれによって、例えば信号端子１８やはんだが、半導体素子１２の意図しない部分に接触するおそれがある。

この問題に関して、本実施例の半導体装置１０では、半導体素子１２の信号パッド１２ｃに、信号端子１８に向かって突出する突出部１２ｄが設けられている。このような構成によると、信号端子１８と半導体素子１２の表面との間に一定の間隔を設けながら、信号端子１８と信号パッド１２ｃとの間を接合することができる。従って、電極サイズが比較的に小さな信号パッド１２ｃにおいても、信号端子１８やはんだが半導体素子１２の意図しない部分に接触することを避けることができる。これにより、半導体装置１０の製造品質は向上する。なお、一例ではあるが、突出部１２ｄの高さ寸法は、約１００μｍ以上であってよい。これにより、信号端子１８と半導体素子１２の他の意図しない部分との間の絶縁性が十分に確保される。

また、図２に示すように、本実施例の半導体装置１０では、信号端子１８においてはんだが接触する範囲（領域Ｃ）を、半導体素子１２の表面に投影した投影範囲内に、信号パッド１２ｃの突出部１２ｄの全体（領域Ａ）が包含されている。このような構成によると、信号端子１８が半導体素子１２の表面に対して平行な方向に位置ずれしたとしても、信号パッド１２ｃの突出部１２ｄが信号端子１８に対向し続けることができる。従って、信号端子１８と信号パッド１２ｃとの間を適切に接合することができる。即ち、半導体素子１２に対する信号端子１８の位置ずれを、ある程度まで許容することができる。

さらに、本実施例の半導体装置１０では、信号端子１８においてはんだが接触する範囲（領域Ｃ）を、半導体素子１２の表面に投影した投影範囲内に、信号パッド１２ｃの全体（領域Ｂ）が包含されている。このような構成によると、半導体素子１２に対する信号端子１８の位置ずれを、より大きな程度まで許容することができる。この場合に、例えば、突出部１２ｄの全体がはんだの内部に位置していてもよい。

図３－６を参照して、半導体装置１０の製造方法について説明する。先ず、図３に示すように、信号パッド１２ｃに突出部１２ｄが設けられた半導体素子１２を用意する。一例ではあるが、半導体素子１２の突出部１２ｄは、多孔質構造を有しており、例えばコールドスプレー法を用いて形成されている。詳しくは、突出部１２ｄは、突出部１２ｄを構成する金属粉末を信号パッド１２ｃの表面に吹き付けることで形成される。なお、この場合、突出部１２ｄを構成する材料は、信号パッド１２ｃを構成する材料と同一であるとよい。このような構成によると、信号パッド１２ｃ上に突出部１２ｄを形成するときに、信号パッド１２ｃを構成する金属粉末が信号パッド１２ｃに付着しやすい。このコールドスプレー法は、吹き付ける金属粉末をその融点以下で吹き付けることができるため、金属粉末が熱変質することなく基材に吹き付け可能であるといった点において有利である。また、本実施例の半導体装置１０のように、突出部１２ｄが多孔質構造を有していると、後述するはんだ付けのときに、はんだが多孔質構造に含侵することで、信号端子１８と信号パッド１２ｃとの間が強固に接合される。

次いで、図４に示すように、上側放熱板１６及び信号端子１８を用意し、各々に予備はんだを配置する。一例ではあるが、上側放熱板１６の第２主表面１６ｂ及び信号端子１８の接合部分に、シート形状のはんだを配置し、リフロー炉等ではんだを加熱し溶融させる。このように、各々の接合部分に予め予備はんだを配置しておくことにより、後述するはんだ付けを効率的に実施することができる。ここで、上側放熱板１６及び信号端子１８は、各々が一体に形成された一つの部品（リードフレーム）として用意されていてもよい。

予備はんだ配置後に、図５に示すように、上側放熱板１６及び信号端子１８に半導体素子１２をはんだ付けする。詳しくは、先ず上側放熱板１６と信号端子１８の上に、半導体素子１２を積層する。上側放熱板１６と半導体素子１２の第１主電極１２ａとの間、信号端子１８と信号パッド１２ｃとの間には、シート形状のはんだがそれぞれ配置される。次いで、リフロー炉等によって、はんだを加熱し、溶融する。これにより、上側放熱板１６と第１主電極１２ａがはんだ付けされ、信号端子１８と信号パッド１２ｃの突出部１２ｄがはんだ付けされる。ここで、突出部１２ｄを構成する材料の融点は、はんだを構成する材料の融点より高い。従って、はんだを溶融させて信号端子１８と信号パッド１２ｃとの間を接合するときに、突出部１２ｄが変形することを避けることができる。

半導体素子１２の第１主電極１２ａ側のはんだ付けの後、図６に示すように、半導体素子１２の第２主電極１２ｂ側を下側放熱板１４にはんだ付けする。半導体素子１２の第２主電極１２ｂと下側放熱板１４との間には、シート形状のはんだが配置される。このはんだが加熱、溶融することで、下側放熱板１４と半導体素子１２がはんだ付けされる。

以上の工程により、半導体装置１０が組み付けされる。上記の製造方法により、電極サイズが比較的に小さな信号パッド１２ｃにおいても、信号端子１８やはんだが半導体素子１２の意図しない部分に接触することを避けることができる。但し、この製造方法は一例であり、特別に限定されるものではない。なお、他の製造工程については、従来の技術を用いて製造することができる。

なお、本技術における信号端子１８及び突出部１２ｄは、上記した形状に限定されず、様々に変形可能である。図７－１０を参照して、そのいくつかの変形例について説明する。

図７に示すように、信号端子１８には、信号パッド１２ｃの突出部１２ｄに対向して凹部１８ｂが設けられていてもよい。この場合、はんだが凹部１８ｂの内面に接触していてもよい。従って、凹部１８ｂの内面が、信号端子１８においてはんだが接触する範囲（領域Ｃ）に相当する。このような構成によると、はんだの信号端子１８上での濡れ広がりが、凹部１８ｂを形成するエッジによって抑制される。これにより、余剰なはんだが半導体素子１２の意図しない部分に接触することが防止される。

あるいは、図８に示すように、信号端子１８には、信号パッド１２ｃの突出部１２ｄと対向して、凸部１８ｃが設けられていてもよい。この場合、はんだが凸部１８ｃの頂面１８ｄに接触していてもよい。従って、凸部１８ｃの頂面１８ｄが、信号端子１８においてはんだが接触する範囲（領域Ｃ）に相当する。このような構成によると、はんだの信号端子１８上での濡れ広がりが、凸部１８ｃを形成するエッジによって抑制される。これにより、余剰なはんだが半導体素子１２の意図しない部分に接触することが防止される。

図８に示す構成では、信号端子１８の凸部１８ｃが、信号パッド１２ｃの突出部１２ｄよりも、十分に大きくてもよい。詳しくは、信号端子１８の凸部１８ｃの頂面１８ｄを、半導体素子１２の表面に投影した投影範囲内に、突出部１２ｄの全体が包含されていてもよい。このような構成によると、信号端子１８が半導体素子１２の表面に対して平行な方向に位置ずれしたとしても、信号パッド１２ｃの突出部１２ｄが信号端子１８の凸部１８ｃに対向し続けることができる。従って、信号端子１８と信号パッド１２ｃとの間を適切に接合することができる。即ち、半導体素子１２に対する信号端子１８の位置ずれを、ある程度まで許容することができる。両者を接合するはんだが、信号端子１８と信号パッド１２ｃとの間に保持されることで、はんだが半導体素子１２の意図しない部分に接触することが防止される。

本実施例の半導体装置１０では、信号パッド１２ｃの突出部１２ｄは概してドーム形状で設けられている。但し、突出部１２ｄの形状はこれに限定されない。図９に示すように、突出部１２ｄは、例えば、信号端子１８に対向する頂面１２ｅを有する柱体形状であってもよい。このような構成によると、突出部１２ｄに対する信号端子１８の姿勢が安定して、はんだ付けすることができる。

あるいは、図１０に示すように、突出部１２ｄは、概して球形状（長球状又は楕円体状を含む）を有していてよい。一例ではあるが、突出部１２ｄは、例えばボールボンディングによって形成されることができる。即ち、ワイヤの先端を溶融させて球形状に成形し、その球形状の先端を信号パッド１２ｃに接合する。その後、球形の先端をワイヤから切り離すことによって、当該球形の先端で構成された突出部１２ｄを、信号パッド１２ｃ上に設けることができる。この場合、突出部１２ｄを構成する材料は、信号パッド１２ｃを構成する材料と異なっていてもよい。

以上、本明細書が開示する技術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り、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。本明細書又は図面に例示した技術は、複数の目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：半導体装置
１２：半導体素子
１２ａ、１２ｂ：主電極
１２ｃ：信号パッド
１２ｅ：頂面
１２ｄ：突出部
１４、１６：放熱板
１８：信号端子
１８ａ：一端
１８ｂ：凹部
１８ｃ：凸部
１８ｄ：頂面
２０：封止体
２２、２４：はんだ層

Claims (11)

1. 表面に信号パッドを有するパワー半導体素子と、
   前記信号パッドに接合材を介して接合された端子と、を備え、
   前記パワー半導体素子の表面に露出する前記信号パッドの表面には、前記端子に向けて突出する突出部と、前記突出部の周囲に位置する非突出部と、が設けられており、
   前記接合材は、前記突出部に接触するとともに、前記非突出部には接触していない、
   半導体装置。
2. 前記端子において前記接合材が接触する範囲を、前記パワー半導体素子の前記表面に投影した投影範囲内に、前記突出部の全体が包含される、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記端子において前記接合材が接触する範囲を、前記パワー半導体素子の前記表面に投影した投影範囲内に、前記信号パッドの全体が包含される、請求項１又は２に記載の半導体装置。
4. 前記端子には、前記信号パッドの前記突出部に対向して、凹部が設けられており、
   前記接合材は、前記凹部の内面に接触している、請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体装置。
5. 前記端子には、前記信号パッドの前記突出部と対向して、凸部が設けられており、
   前記接合材は、前記凸部の頂面に接触している、請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体装置。
6. 前記凸部の前記頂面を、前記パワー半導体素子の前記表面に投影した投影範囲内に、前記突出部の全体が包含される、請求項５に記載の半導体装置。
7. 前記突出部を構成する材料は、前記接合材を構成する材料よりも融点が高い、請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体装置。
8. 前記突出部を構成する材料は、前記信号パッドを構成する材料と異なる、請求項１から７のいずれか一項に記載の半導体装置。
9. 前記突出部は、多孔質構造を有する、請求項１から８のいずれか一項に記載の半導体装置。
10. 前記突出部の高さ寸法が１００μｍ以上である、請求項１から９のいずれか一項に記載の半導体装置。
11. 前記パワー半導体素子を封止する封止体をさらに備え、
    前記端子は、前記封止体の内部において、前記信号パッドに前記接合材を介して接合されている、請求項１から１０のいずれか一項に記載の半導体装置。

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