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JP2017063136A - 半導体装置 - Google Patents

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JP2017063136A
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真悟 岩崎
知巳 奥村
Tomomi Okumura
知巳 奥村
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Toyota Motor Corp
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Abstract

【課題】 半導体装置の動作時に凹部に加わる応力を低減する。
【解決手段】 半導体装置は、外周端面を備えている半導体素子と、内面と外面と外周端面を備えており、内面に半導体素子が固定されている放熱板と、半導体素子の外周端面と放熱板の内面と放熱板の外周端面を覆っているパッケージを備えている。放熱板の外面はパッケージによって覆われていない。パッケージの外周端面に凹部が形成されている。半導体素子と放熱板の積層方向から放熱板を平面視したときに、半導体素子と凹部を結ぶ範囲内の放熱板に、剛性が周囲より低い低剛性範囲が形成されている。
【選択図】図６

Description

本明細書は、半導体装置を開示する。
特許文献１に、半導体素子を放熱板に固定し、半導体素子の周囲を樹脂モールドで封止した半導体装置が開示されている。半導体素子は外周端面を備えており、放熱板は内面と外面と外周端面を備えている。半導体素子は放熱板の内面に固定されており、放熱板に固定した半導体素子の外周端面は露出している。モールド樹脂は、半導体素子の外周端面と放熱板の内面（半導体素子の固定範囲以外の内面）と放熱板の外周端面を覆う。放熱板の外面はモールド樹脂によって覆われておらず、冷却器等に接触させることができる。モールド樹脂は、半導体装置のパッケージを構成し、半導体素子を保護する。
モールド樹脂の外周端面には凹部が形成されており、その凹部によって、例えば樹脂モードの表面に沿った沿面距離を確保したり、成型時にモールド用樹脂の流動性を改善したりする。種々の理由でモールド樹脂の外周端面に凹部が形成されることがある。
特開２０１４−１５４７７９号公報
半導体装置の動作時には、半導体素子が発熱し、放熱板が熱膨張し、パッケージも熱膨張する。放熱板の熱膨張率とパッケージの熱膨張率が相違することから、両者に応力が作用する。このとき、特許文献１のように、モールド樹脂の外周端面に凹部が形成されていると、凹部に応力が集中する。このため、凹部の周辺にクラックが生じる虞がある。パッケージにかかる応力を低減するために、放熱板を小さくする構造が考えられる。この構造によれば、凹部と放熱板の間の距離を長くすることができるため、凹部に加わる応力を低減することができる。しかしながら、放熱板を小さくすると、放熱板とパッケージの密着面積が小さくなるため、パッケージによる半導体素子の保護性能が低下する虞がある。本明細書は、半導体素子の保護性能を維持しつつ、半導体装置の動作時に凹部に加わる応力を低減する技術を開示する。
本明細書が開示する半導体装置は、外周端面を備えている半導体素子と、内面と外面と外周端面を備えているとともに内面に半導体素子が固定されている放熱板と、半導体素子の外周端面と放熱板の内面（半導体素子の固定範囲以外の内面）と放熱板の外周端面を覆っているパッケージを備えている。放熱板の外面はパッケージによって覆われていない。パッケージの外周端面に凹部が形成されている。半導体素子と放熱板の積層方向から放熱板を平面視したときに、半導体素子と凹部を結ぶ範囲内に、板厚が周囲より薄い薄板範囲を備えている。
この半導体装置は、パッケージの外周端面に凹部が形成されているとともに、放熱板が薄板範囲を備えている。その薄板範囲は、放熱板を平面視したときに半導体素子と凹部を結ぶ範囲内に存在している。この半導体装置では、半導体素子が発熱して放熱板が熱膨張した場合であっても、放熱板の上記範囲に薄板範囲が存在することにより、凹部に生じる応力を低減することができる。このため、凹部周辺にクラックが生じることを抑制することができる。
実施例１の半導体装置の斜視図。 実施例１の半導体装置の電気回路図。 実施例１の半導体装置（パッケージ以外）の一部分解図。 実施例１の半導体装置（パッケージ以外）を示す斜視図。 図１のＩ−Ｉ線における縦断面図。 実施例１の半導体装置の平面図。 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線における縦断面図。 実施例２の半導体装置の縦断面図（実施例１における図７に相当）。 実施例３の半導体装置の縦断面図（実施例１における図７に相当）。 実施例４の半導体装置の斜視図。 実施例５の半導体装置の縦断面図（実施例１における図７に相当）。
図面を参照して、実施例１の半導体装置２について説明する。図２は、半導体装置２が内蔵している回路図を示す。半導体装置２は、第１トランジスタ素子３と、第２トランジスタ素子５と、第１ダイオード素子４と、第２ダイオード素子６と、Ｎ端子３４と、Ｏ端子１４と、Ｐ端子２４を備えている。第１トランジスタ素子３と、第２トランジスタ素子５と、第１ダイオード素子４と、第２ダイオード素子６のそれぞれは、許容電流が１００アンペア以上であり、主に電力変換に用いられるパワー半導体素子に属する。半導体装置２は、典型的には、電気自動車、ハイブリッド車、燃料電池車などにおいて、走行用モータに電力を供給するインバータ回路の一部を構成する。
第１トランジスタ素子３と第２トランジスタ素子５は直列に接続されている。第１ダイオード素子４は第１トランジスタ素子３に逆並列に接続されており、第２ダイオード素子６は第２トランジスタ素子５に逆並列に接続されている。Ｎ端子３４は図示しない直流電源の負端子に接続され、Ｐ端子２４はその直流電源の正端子に接続され、Ｏ端子１４は走行用モータのコイルに接続される。参照符号ＧＬは第１トランジスタ素子３のゲート端子であり、参照符号ＧＨは第２トランジスタ素子５のゲート端子である。参照番号１５，１２，２５，２２は、図３以降を参照して後記する放熱板であり、導電路を兼用している。
図３は、パッケージ９を除く半導体装置２の部品図であり、放熱板１５，２５を分解して描いた図である。図４は、パッケージ９を除く半導体装置２の斜視図である。説明の便宜上、図中の座標系のＸ軸正方向を「上」と称し、Ｘ軸負方向を「下」と称する。以降の図でも「上」、「下」との表現を用いる場合がある。
Ｎ端子３４の縁から継手部３２が伸びている。Ｎ端子３４と継手部３２を総称して負極端子３０と称する。放熱板１５の縁から継手部１６が伸びている。放熱板１５と継手部１６を総称して第１中継板２８と称する。第１中継板２８の継手部１６は負極端子３０の継手部３２と対向し、継手部１６と継手部３２は固定されている。以下の実施例では、２個の部品の位置関係を固定して２個の部品間を電気的に導通させることを、単に固定するという。
放熱板１５の内面（下面）に、スペーサ７ａを介して第１トランジスタ素子３が固定されており、スペーサ７ｂを介して第１ダイオード素子４が固定されている。第１トランジスタ素子３は平板型であり、第１トランジスタ素子３の上面の一部にはエミッタ電極が配置されており、下面にコレクタ電極が配置されている。第１トランジスタ素子３の上面にはエミッタ電極が形成されていない範囲が存在し、そこにゲート電極とその他の信号端子が配置されている。第１ダイオード素子４の上面にはアノード電極が配置されており、下面にはカソード電極が配置されている。放熱板１２の内面（上面）には、第１トランジスタ素子３のコレクタ電極が固定され、第１ダイオード素子４のカソード電極が固定される。第１トランジスタ素子３の上面に形成されているゲート電極とその他の信号端子にはボンディングワイヤ８２の一端が固定されている。ボンディングワイヤ８２の他端は制御端子８１ｂに固定されている。放熱板１２から、第１継手部１３とＯ端子１４と突出部分１２ａが延びている。放熱板１２と第１継手部１３とＯ端子１４と突出部分１２ａを総称して中間端子１０という。
放熱板２５は第２継手部２６を備えている。放熱板２５と第２継手部２６を総称して第２中継板２９という。第２継手部２６と第１継手部１３は、対向した状態で固定されている。放熱板２５の内面（下面）に、スペーサ７ｃを介して第２トランジスタ素子５が固定されており、スペーサ７ｄを介して第２ダイオード素子６が固定されている。第２トランジスタ素子５は平板型であり、第２トランジスタ素子５の上面の一部にはエミッタ電極が配置されており、下面にコレクタ電極が配置されている。第２トランジスタ素子５の上面にはエミッタ電極が形成されていない範囲が存在し、そこにゲート電極とその他の信号端子が配置されている。第２ダイオード素子６の上面にはアノード電極が配置されており、下面にはカソード電極が配置されている。放熱板２２の内面（上面）には、第２トランジスタ素子５のコレクタ電極が固定され、第２ダイオード素子６のカソード電極が固定される。第２トランジスタ素子５の上面に形成されているゲート電極とその他の信号端子にはボンディングワイヤ８２の一端が固定されている。ボンディングワイヤ８２の他端は制御端子８１ａに固定されている。放熱板２２から、Ｐ端子２４と突出部分２２ａが延びている。放熱板２２とＰ端子２４と突出部分２２ａを総称して正極端子２０という。
中間端子１０、正極端子２０、負極端子３０、第１中継板２８、第２中継板２９、制御端子８１ａ，８１ｂは、一部がパッケージ９の内部で第１トランジスタ素子３などの半導体素子と導通しており、一部はパッケージ９の外部に露出している。そのような導電部材はリードフレームと総称される。
図１に示すように、パッケージ９の上面に放熱板１５、２５の外面（上面）が露出している。図１では隠れて見えないが、パッケージ９の下面に放熱板１２、２２の外面（下面）が露出している。Ｏ端子１４、Ｎ端子３４、Ｐ端子２４、制御端子８１ａ，８１ｂ、突出部分１２ａ，２２ａは、パッケージ９の側面からＺ方向に延びている。
図５を参照して、第１トランジスタ素子３と第２トランジスタ素子５とリードフレームの固定関係を説明する。図５は、図１のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。先に述べたように、第１トランジスタ素子３の下面にはコレクタ電極３ａが配置されており、上面にはエミッタ電極３ｂが配置されている。放熱板１２と第１トランジスタ素子３のコレクタ電極３ａははんだ層８ａによって固定されている。第１トランジスタ素子３のエミッタ電極３ｂとスペーサ７ａははんだ層８ｂによって固定されている。スペーサ７ａと放熱板１５ははんだ層８ｃによって固定されている。
第２トランジスタ素子５の下面にはコレクタ電極５ａが配置されており、上面にはエミッタ電極５ｂが配置されている。放熱板２２と第２トランジスタ素子５のコレクタ電極５ａははんだ層８ｄによって固定されている。第２トランジスタ素子５のエミッタ電極５ｂとスペーサ７ｃははんだ層８ｅによって固定されている。スペーサ７ｃと放熱板２５ははんだ層８ｆによって固定されている。
第１トランジスタ素子３と第２トランジスタ素子５の間の接続関係は次の通りである。第１トランジスタ素子３と第２トランジスタ素子５は、中間端子１０と第２中継板２９を介して電気的に接続されている。第１トランジスタ素子３の下面に配置されているコレクタ電極３ａは、中間端子１０によって第１継手部１３に接続されている。第２トランジスタ素子５の上面に配置されているエミッタ電極５ｂは、第２中継板２９によって第２継手部２６に接続されている。第１継手部１３と第２継手部２６に接続されていることから、第１トランジスタ素子３のコレクタ電極３ａと第２トランジスタ素子５のエミッタ電極５ｂが接続されている。
図７を参照して、第１ダイオード素子４とリードフレームの固定関係を説明しておく。上述したように、第１ダイオード素子４の下面にはカソード電極４ａが配置されており、上面にはアノード電極４ｂが配置されている。放熱板１２と第１ダイオード素子４のカソード電極４ａははんだ層８ｈによって固定されている。第１ダイオード素子４のアノード電極４ｂとスペーサ７ｂははんだ層８ｉによって固定されている。スペーサ７ａと放熱板１５ははんだ層８ｊによって固定されている。
次に、半導体装置２のパッケージ９及び放熱板の外側の構成について説明する。図６に示すように、パッケージ９の外周端面には、Ｘ方向から平面視すると、制御端子８１ａと突出部分２２ａとの間及び制御端子８１ｂと突出部分１２ａとの間に、凹部９０が形成されている。凹部９０は、パッケージ９の上面から下面まで、Ｘ方向に貫通している。
実施例１の半導体装置２では、パッケージ９の外周端面に形成された凹部９０によって、パッケージ９の表面に沿った、制御端子８１ａと突出部分２２ａの間の沿面距離と、制御端子８１ｂと突出部分１２ａの間の沿面距離を確保することができる。
図２と図３と図７等に示す様に、放熱板１２、１５、２２、２５のそれぞれには、その板厚が他の部分より薄い薄板部１１２、１１５、１２２、１２５が形成されている。図２に示す様に、薄板部１２５は、放熱板２５のＺ軸負方向の端部であって、Ｙ方向に伸びる一辺に沿って、外面から中間深さまで切削したように形成されている。具体的には、薄板部１２５は、放熱板２５の外面が窪んだ形状によって構成されている。薄板部１１２，１１５，１２２の構成は、上述した薄板部１２５の構成と同様である。また、放熱板１５，２５（薄板部１１５、１２５以外の部分）の上面は、パッケージ９の上面と略同一平面上に存在し、放熱板１２，２２（薄板部１１２、１２２以外の部分）の下面は、パッケージ９の下面と略同一平面上に存在する。放熱板１５，２５（薄板部１１５、１２５以外の部分）の上面はパッケージ９の上面に露出し、放熱板１２，２２（薄板部１１２、１２２以外の部分）の下面はパッケージ９の下面に露出する。露出した放熱板１２，１５は絶縁膜を介して冷却器に密着させることができる。露出した放熱板２２，２５についても同様である。なお、それぞれの薄板部は、Ｘ方向から平面視したときに、パワー半導体素子と重複しない位置に形成されていることが好ましい。このように構成すると、パワー半導体素子の放熱を効率よく行うことができる。
図７に示すように、パッケージ９は、第１トランジスタ素子３と第１ダイオード素子４の外周端面に密着し、放熱板１２の上面（内面）と放熱板１５の下面（内面）に密着し、放熱板１２の外周端面（薄板部１１２の外周端面）に密着し、放熱板１５の外周端面（薄板部１１５の外周端面）に密着している。なお実施例１では、薄板部１１５の上面と薄板部１１２の下面にはパッケージ９が形成されておらず、空所となっている。パッケージ９と、放熱板２２，２５の関係についても同様である。
実施例１の半導体装置２では、放熱板のうち、パワー半導体素子と凹部を結ぶ範囲（図６においてハッチを付した範囲Ａ１，Ａ２）内に薄板部１１２，１１５，１２２，１２５が形成されており、パワー半導体素子が発熱して放熱板が熱膨張した場合であっても、放熱板に形成した薄板部によって、凹部に応力が集中することを緩和することができる。したがって、凹部の周辺にクラックが生じる虞を低減することができる。また、放熱板の面積（詳細には、放熱板とパッケージ９とのＹＺ平面での密着面積）を確保することができるため、パワー半導体素子の保護性能を維持することができる。
実施例１の半導体装置では、Ｚ方向においては範囲Ａ１，Ａ２の一部に薄板部が形成されており、Ｙ方向においては範囲Ａ１，Ａ２の全長に亘って薄板部が形成されており、Ｙ方向では範囲Ａ１，Ａ２の外側にまで薄板部が形成されている。重要なことは、パワー半導体素子と凹部を結ぶ範囲内に薄板部が形成されていることであり、範囲の一部に薄板部が形成されている場合、範囲の全域に薄板部が形成されている場合、範囲を超えて薄板部が形成されている場合のいずれであっても、凹部に応力が集中してクラックが生じる虞を低減することができる。
また、放熱板の薄板部は、放熱板の他の部分と比較して熱による変形が大きく、本実施例の半導体装置２では、パワー半導体素子の発熱時に薄板部が半導体装置の内部方向へ撓むように変形する。このため、放熱板が熱膨張する際のパッケージ９と放熱板の接触部分の引張応力が低減する。したがって、放熱板の外周部におけるパッケージ９と放熱板の接着部分の信頼性を向上することができ、放熱板がパッケージ９から剥離する虞を低減することができる。
実施例２の半導体装置について説明する。以下では、実施例１と相違する点についてのみ説明し、実施例１と同一の構成についてはその詳細な説明を省略する。その他の実施例についても同様である。
図８に示すように、実施例２の半導体装置では、放熱板１２、１５の薄板部１１２、１１５のそれぞれがパッケージ９で覆われている。それぞれの薄板部は、パッケージ９により封止されており、外部に露出していない。図示はしていないが、放熱板２２、２５の薄板部１２２、１２５も放熱板１２、１５のそれと同様の構成となっている。この構成によると、放熱板とパッケージ９の接触面積を大きくすることができるため、パワー半導体素子の保護性能をより向上することができる。
図９に示すように、実施例３の半導体装置では、放熱板１２、１５の内面を薄板化することにより薄板部１１２、１１５が形成されている。薄板部１１２、１１５は、放熱板１２、１５の内面に存在する窪みにより構成されており、窪みは、パッケージ９により封止されている。図示はしていないが、放熱板２２、２５の薄板部１２２、１２５も放熱板１２、１５のそれと同様の構成となっている。本実施例の放熱板の構成は、実施例１の放熱板それぞれの上下を反転し、放熱板の窪み（薄板部）をパッケージで封止している構成であるともいえる。この構成によっても、応力が凹部９０に集中することを緩和することができる。
図１０に示すように、実施例４の半導体装置は、放熱板１５、２５の外面の複数個所（本実施例では、Ｚ軸負方向の端部周辺にＹ軸方向に沿って３個ずつ）を円柱形状に切削することによって薄板部１１５、１２５が構成されている。薄板部１１５、１２５は放熱板を上下方向に貫通していない。図示はしていないが、放熱板１２、２２の薄板部１１２、１２２も放熱板１５、２５のそれと同様の構成となっている。この構成によると、放熱板の熱膨張による応力が薄板部の内側方向に分散されるため、応力が凹部９０に集中することを緩和することができる。
図１１に示すように、実施例５の半導体装置では、半導体装置の下面側に位置する放熱板１２、２２のみに薄板部１１２、１２２が形成されている（放熱板２２及び薄板部１２２は不図示）。下面側の放熱板１２、２２は、上面側のそれに比べてパワー半導体素子に近接しているため、パワー半導体素子の発熱による熱膨張が大きくなる。このため、上面側の放熱板１５、２５の熱膨張と比較して、パッケージ９への応力の影響が大きくなる。この構成によっても、より応力の影響が大きい下面側の放熱板１２、２２に薄板部１１２、１２２が形成されているため、凹部９０に加わる応力を緩和することができる。
なお、上述した実施例では、それぞれの放熱板の一辺に薄板部が形成されていたが、放熱板のＹ軸方向に伸びる両辺の端部に薄板部が形成されていてもよい。この構成によると、パッケージ９に加わる応力をより低減することができる。
また、上述した実施例では、沿面距離を確保するための凹部９０が形成されている場合を詳述した。しかしながら、パッケージの外周端面に成型時の流動性を改善するための凹部が設けられている場合に、本明細書に開示の技術を適用してもよい。そのような場合であっても、同様に放熱板に薄板部を形成することで凹部に集中する応力を緩和することができる。すなわち、パッケージの外周端面のいずれの位置に凹部が形成されている場合であっても、パワー半導体素子と当該凹部を結ぶ範囲内に、薄板部を形成することによって凹部に加わる応力を低減することができる。なお、薄板部の構成は、上述した実施例の薄板部のいずれの構成を用いてもよい。
上述した実施例の構成要素と請求項の構成要素の関係について説明する。実施例のパワー半導体素子（第１トランジスタ素子３、第１ダイオード素子４、第２トランジスタ素子５、第２ダイオード素子６）は、請求項の半導体素子の一例である。
本明細書が開示する技術要素について、以下に列記する。なお、以下の各技術要素は、それぞれ独立して有用なものである。
本明細書が開示する一例の半導体装置では、放熱板の外面が窪んでいることによって薄板部が構成されている。その窪みは、空洞であってもよいし、パッケージで覆ってもよい。この構成では、放熱板とパッケージの接触面積を確保できるため、半導体素子の保護性能を維持することができる。また、薄板部を空洞にしておくと、凹部に応力が集中することをより緩和することができる。
本明細書が開示する一例の半導体装置では、薄板部が、放熱板の外周端部に接していてもよい。この構成では、凹部に加わる応力がより緩和されるため、凹部周辺にクラックが生じる虞をより抑制することができる。
以上、本発明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。
本明細書また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、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、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。
２：半導体装置
３：第１トランジスタ素子
４：第１ダイオード素子
５：第２トランジスタ素子
６：第２ダイオード素子
７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ：スペーサ
９：パッケージ
１２：放熱板
１２ａ：突出部分
１５：放熱板
２２：放熱板
２２ａ：突出部分
２５：放熱板
８１ａ、８１ｂ：制御端子
８２：ボンディングワイヤ
９０：凹部
１１２、１１５、１２２、１２５：薄板部

Claims (3)

  1. 外周端面を備えている半導体素子と、
    内面と外面と外周端面を備えており、前記内面に前記半導体素子が固定されている放熱板と、
    前記半導体素子の前記外周端面と前記放熱板の前記内面（前記半導体素子の固定範囲を除く）と前記放熱板の前記外周端面を覆っているパッケージを備えており、
    前記放熱板の前記外面は前記パッケージによって覆われておらず、
    前記パッケージの外周端面に凹部が形成されており、
    前記放熱板が、前記半導体素子と前記放熱板の積層方向から前記放熱板を平面視したときに前記半導体素子と前記凹部を結ぶ範囲内に、板厚が周囲より薄い薄板範囲を備えている、
    半導体装置。
  2. 前記薄板範囲では、前記放熱板の前記外面が窪んでいる、請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記薄板範囲が、前記放熱板の外周端部に接する、請求項１又は２に記載の半導体装置。
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