JP7657529B2

JP7657529B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP7657529B2
Application number: JP2021186172A
Authority: JP
Inventors: 祥太朗作元
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-11-16
Filing date: 2021-11-16
Publication date: 2025-04-07
Anticipated expiration: 2041-11-16
Also published as: JP2023073616A; CN116137259A; DE102022124463A1; US20230154814A1; US12476159B2

Description

本開示は、半導体装置に関する。

電力半導体装置などの半導体装置として、半導体素子と、比較的厚みが大きい導電ブロックである銅ブロックとが、封止樹脂で封止された半導体装置が提案されている（例えば特許文献１）。

特開２０１３－１３１５９２号公報

半導体装置には高温環境下でも動作することが求められている。しかしながら、製造時に高温動作用の封止樹脂を硬化させると、硬化開始時の温度から室温までの温度差が大きいため、封止樹脂の熱膨張及び収縮の応力が比較的大きくなる。この結果、封止樹脂の応力が、銅ブロックの接合に用いられるはんだに集中して、はんだが銅ブロックから剥離する可能性があった。

そこで、本開示は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、はんだが銅ブロックから剥離することを抑制可能な技術を提供することを目的とする。

本開示に係る半導体装置は、銅パターンと、前記銅パターン上に第１はんだを介して接合された銅ブロックと、前記銅ブロック上に第２はんだを介して接合された電極端子と、前記銅パターンと電気的に接続された半導体素子と、前記銅パターン、前記第１はんだ、前記銅ブロック、前記第２はんだ、前記電極端子、及び、前記半導体素子を覆う封止樹脂と、前記半導体素子と接続されたワイヤとを備え、前記銅ブロックのうち前記第１はんだで接合される部分の面積が、前記銅ブロックのうち前記第２はんだで接合される部分の面積よりも大きく、前記電極端子の前記第２はんだで接合される部分の上の前記封止樹脂の上端が、前記ワイヤの最も高い部分よりも低い。

本開示によれば、銅ブロックが銅パターン上に第１はんだを介して接合され、電極端子が銅ブロック上に第２はんだを介して接合され、銅ブロックのうち第１はんだで接合される部分の面積が、銅ブロックのうち第２はんだで接合される部分の面積よりも大きい。このような構成によれば、はんだが銅ブロックから剥離することを抑制できる。

実施の形態１に係る半導体装置の構成を示す断面図である。実施の形態２に係る半導体装置の構成を示す断面図である。実施の形態３に係る半導体装置の構成を示す断面図である。実施の形態４に係る半導体装置の構成を示す断面図である。

以下、添付される図面を参照しながら実施の形態について説明する。以下の各実施の形態で説明される特徴は例示であり、すべての特徴は必ずしも必須ではない。また、以下に示される説明では、複数の実施の形態において同様の構成要素には同じまたは類似する符号を付し、異なる構成要素について主に説明する。また、以下に記載される説明において、「上」、「下」、「左」、「右」、「表」または「裏」などの特定の位置及び方向は、実際の実施時の位置及び方向とは必ず一致しなくてもよい。

＜実施の形態１＞
図１は、本実施の形態１に係る半導体装置の構成を示す断面図である。図１の半導体装置は、絶縁性ベース基板１と、銅パターン２と、第１はんだ３と、銅ブロック４と、第２はんだ５と、電極端子６と、第３はんだ７と、半導体素子８と、ワイヤ９と、電極端子１０と、接着部材１１と、ケース１２と、封止樹脂１３とを備える。

絶縁性ベース基板１は、銅ベース板１ａと、樹脂絶縁層１ｂとを含む。樹脂絶縁層１ｂは、銅ベース板１ａ上に設けられており、銅ベース板１ａと一体化されている。

銅パターン２は、樹脂絶縁層１ｂ上に設けられている。なお、銅パターン２は、絶縁性ベース基板１に含まれてもよい。

銅ブロック４は、銅パターン２上に第１はんだ３を介して接合されている。本実施の形態１では、銅ブロック４の厚みは、銅パターン２の厚みよりも大きい。

電極端子６は、銅ブロック４上に第２はんだ５を介して接合されている。なお、銅ブロック４のうち第１はんだ３で接合される部分の面積が、銅ブロック４のうち第２はんだ５で接合される部分の面積よりも大きくなっている。

半導体素子８は、半導体スイッチング素子及びダイオードの少なくともいずれか１つを含む。半導体スイッチング素子は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＲＣ－ＩＧＢＴ（Reverse Conducting - IGBT）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であり、ダイオードは、例えばＰＮＤ（PN junction Diode）、ＳＢＤ（Schottky Barrier Diode）である。以下では、半導体素子８は、半導体スイッチング素子である場合を例にして説明する。

半導体素子８の材料は、通常の珪素（Ｓｉ）であってもよいし、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンドなどのワイドバンドギャップ半導体であってもよい。半導体素子８の材料がワイドバンドギャップ半導体である場合には、高温下及び高電圧下の安定動作、及び、スイッチ速度の高速化が可能となる。

半導体素子８は、銅パターン２と電気的に接続されている。本実施の形態１では、半導体素子８は、第３はんだ７を介して銅パターン２と接合されることによって、銅パターン２と電気的に接続されている。これにより、半導体素子８は、銅パターン２を介して、銅ブロック４及び電極端子６と電気的に接続され、電極端子６は、例えば半導体素子８のコレクタ電極として機能する。

半導体素子８は、ワイヤ９を介して電極端子１０と電気的に接続され、電極端子１０は、例えば半導体素子８のエミッタ電極として機能する。ワイヤ９の材料は例えばアルミニウムである。ワイヤ９の接続、並びに、第１はんだ３、第２はんだ５、及び、第３はんだ７の接合によって、ケース１２で囲まれる空間内に回路が形成される。

ケース１２は、絶縁性ベース基板１の端部と接着部材１１によって接着されている。ケース１２の材料は例えば絶縁性の樹脂である。図１の例では、電極端子６の中央部及び電極端子１０の中央部は、ケース１２に埋設されている。

封止樹脂１３は、ケース１２で囲まれる空間に充填されており、銅パターン２、第１はんだ３、銅ブロック４、第２はんだ５、電極端子６、及び、半導体素子８などを覆う。封止樹脂１３は、半導体素子８の動作温度を超えるガラス転移点温度（Ｔｇ）を有する。

＜実施の形態１のまとめ＞
本実施の形態１に係る半導体装置では、銅ブロック４のうち第１はんだ３で接合される部分の面積が、銅ブロック４のうち第２はんだ５で接合される部分の面積よりも大きい。このような構成によれば、第１はんだ３と銅ブロック４との接合面積が比較的大きいため、第１はんだ３が銅ブロック４から剥離することを抑制することができる。

一方、第２はんだ５は、封止樹脂１３の上面に対して第１はんだ３よりも近くに位置する。封止樹脂１３の上面に近いほど、封止樹脂１３の上の空間に封止樹脂１３の応力を逃がすことができるため、第２はんだ５が封止樹脂１３から受ける応力は、第１はんだ３が封止樹脂１３から受ける応力よりも低い。このため、第２はんだ５と、銅ブロック４との接合面積が比較的小さくても、第２はんだ５が銅ブロック４から剥離することを抑制することができる。

また本実施の形態１では、銅ブロック４の厚みは、銅パターン２の厚みよりも大きい。このような構成によれば、第２はんだ５を、封止樹脂１３の上面にさらに近づけることができるので、第２はんだ５が銅ブロック４から剥離することをさらに抑制することができる。また、銅ブロック４と封止樹脂１３との接触面積が比較的大きくなるので、封止樹脂１３が銅ブロック４から剥離することを抑制することができる。

＜実施の形態２＞
図２は、本実施の形態２に係る半導体装置の構成を示す断面図である。本実施の形態２では、銅ブロック４の第２はんだ５で接合される面に凹凸４ａが設けられている。つまり、銅ブロック４の第２はんだ５で接合される面が粗化されている。

凹凸４ａの範囲は、第２はんだ５が濡れる範囲であればよく、例えば直径が２００～３００μｍの円形状の範囲、または、一辺が２００～３００μｍの四角形状の範囲などである。凹凸４ａの段差は、例えば２００μｍ程度であり、凹凸４ａの形成には、例えばルータ加工が用いられる。以上の点を除けば、本実施の形態２の構成は実施の形態１の構成と同様である。

以上のような本実施の形態２に係る半導体装置によれば、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また本実施の形態２では、銅ブロック４の凹凸４ａによって、第２はんだ５と銅ブロック４との間にアンカー効果が生じるので、第２はんだ５が銅ブロック４から剥離することを抑制することができる。

なお図示しないが、電極端子６の第２はんだ５で接合される面にも凹凸が設けることによって、第２はんだ５が電極端子６から剥離することを抑制されてもよい。

＜実施の形態３＞
図３は、本実施の形態３に係る半導体装置の構成を示す断面図である。図３には、実施の形態１の封止樹脂１３の上面の位置が二点鎖線で示されている。本実施の形態３では、電極端子６の第２はんだ５で接合される部分の上の封止樹脂１３の厚みＤが、２．０ｍｍ以上２．５ｍｍ以下である。つまり、電極端子６のうち第２はんだ５と接していない上部から封止樹脂１３の上面までの厚みＤが、２．０ｍｍ以上２．５ｍｍ以下であり、比較的薄くなっている。以上の点を除けば、本実施の形態３の構成は実施の形態１の構成と同様である。

以上のような本実施の形態３に係る半導体装置によれば、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また本実施の形態３では、電極端子６の第２はんだ５で接合される部分の上の封止樹脂１３の厚みＤが比較的薄いため、第２はんだ５が封止樹脂１３から受ける応力を低減でき、第２はんだ５が銅ブロック４から剥離することを抑制することができる。また、封止樹脂１３の硬化を促進することができる。なお、本実施の形態３の構成は、実施の形態２にも適用されてもよい。

＜実施の形態４＞
図４は、本実施の形態４に係る半導体装置の構成を示す断面図である。本実施の形態４では、コーティング膜１４が銅ブロック４と封止樹脂１３との間に設けられている。なお図４の例では、コーティング膜１４が、樹脂絶縁層１ｂ、銅パターン２、半導体素子８、及び、ワイヤ９のそれぞれと、封止樹脂１３との間にも設けられている。コーティング膜１４の材料は、例えばポリイミドであり、コーティング膜１４の厚みは、例えば１００ｎｍ以下である。コーティング膜１４の熱膨張係数は、銅の熱膨張係数と同等であることが好ましい。以上の点を除けば、本実施の形態４の構成は実施の形態１の構成と同様である。

以上のような本実施の形態４に係る半導体装置によれば、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また本実施の形態４では、コーティング膜１４によって、銅ブロック４と封止樹脂１３との間の密着性を高めることができるので、封止樹脂１３が銅ブロック４から剥離することを抑制することができる。なお図４のような構成によれば、封止樹脂１３が樹脂絶縁層１ｂ、銅パターン２、半導体素子８、及び、ワイヤ９から剥離することを抑制することができる。なお、本実施の形態４の構成は、実施の形態２，３にも適用されてもよい。

なお、各実施の形態及び各変形例を自由に組み合わせたり、各実施の形態及び各変形例を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

２銅パターン、３第１はんだ、４銅ブロック、４ａ凹凸、５第２はんだ、６電極端子、８半導体素子、１３封止樹脂、１４コーティング膜。

Claims

銅パターンと、
前記銅パターン上に第１はんだを介して接合された銅ブロックと、
前記銅ブロック上に第２はんだを介して接合された電極端子と、
前記銅パターンと電気的に接続された半導体素子と、
前記銅パターン、前記第１はんだ、前記銅ブロック、前記第２はんだ、前記電極端子、及び、前記半導体素子を覆う封止樹脂と、
前記半導体素子と接続されたワイヤと
を備え、
前記銅ブロックのうち前記第１はんだで接合される部分の面積が、前記銅ブロックのうち前記第２はんだで接合される部分の面積よりも大きく、
前記電極端子の前記第２はんだで接合される部分の上の前記封止樹脂の上端が、前記ワイヤの最も高い部分よりも低い、半導体装置。
請求項１に記載の半導体装置であって、
前記銅ブロックの厚みは、前記銅パターンの厚みよりも大きい、半導体装置。
請求項１または請求項２に記載の半導体装置であって、
前記銅ブロックの前記第２はんだで接合される面に凹凸が設けられている、半導体装置。
請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載の半導体装置であって、
前記電極端子の前記第２はんだで接合される部分の上の前記封止樹脂の厚みが、２．０ｍｍ以上２．５ｍｍ以下である、半導体装置。
請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載の半導体装置であって、
前記銅ブロックと前記封止樹脂との間に設けられた、ポリイミドを含むコーティング膜をさらに備える、半導体装置。