特開 2024-148321 半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024148321

(43)【公開日】2024-10-18

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/36 20060101AFI20241010BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20241010BHJP

【ＦＩ】

H01L23/36 Z

H05K7/20 F

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023061367

(22)【出願日】2023-04-05

(71)【出願人】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】520124752

【氏名又は名称】株式会社ミライズテクノロジーズ

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】高畑 弘幸

【テーマコード（参考）】

5E322

5F136

【Ｆターム（参考）】

5E322AA11

5E322FA04

5F136BA30

5F136BB18

5F136DA27

5F136FA03

(57)【要約】

【課題】本明細書は、半導体素子の電極にヒートスプレッダがはんだで接合されている半導体装置に関し、電極角部からヒートスプレッダへの伝熱効率を高める。
【解決手段】本明細書が開示する半導体装置は、表面に多角形の電極が露出している半導体素子と、電極にはんだで接合されているヒートスプレッダを備える。ヒートスプレッダは、平面視したときに、ヒートスプレッダの少なくとも一つの角部からスプレッダ角部に最も近い電極の角部に向けて突出する突起を備えている。スプレッダ角部に突起を備えることで、電極角部とヒートスプレッダの距離が短くなり、電極角部からヒートスプレッダ（スプレッダ角部）への伝熱性が高まる。すなわち、電極角部の放熱性が向上する。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

表面に多角形の電極が露出している半導体素子と、
前記電極にはんだで接合されているヒートスプレッダと、
を備えており、
前記ヒートスプレッダは、平面視したときに、前記電極の輪郭の内側に位置しており、
前記ヒートスプレッダは、平面視したときに、前記ヒートスプレッダの少なくとも一つのスプレッダ角部から当該スプレッダ角部に最も近い前記電極の電極角部に向けて突出する突起を備えている、半導体装置。

【請求項2】

前記ヒートスプレッダを平面視したときに、前記突起の先端と前記電極角部との距離が、前記ヒートスプレッダの辺と前記電極の辺の間の距離よりも短い、請求項１に記載の半導体装置。

【請求項3】

前記ヒートスプレッダを平面視したときに、前記ヒートスプレッダの前記突起を除く本体が前記電極と相似形である、請求項１に記載の半導体装置。

【請求項4】

前記突起の側面が前記本体の側面よりも粗い、請求項３に記載の半導体装置。

【請求項5】

前記突起の前記電極に対向する縁が丸みをおびている、請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書が開示する技術は、半導体装置に関する。特に、表面に多角形の電極が露出している半導体素子と、その電極にはんだで接合されているヒートスプレッダを備える半導体装置に関する。

【背景技術】

【0002】

上記した半導体装置の一例が特許文献１に開示されている。ヒートスプレッダは電極よりも小さい。はんだはヒートスプレッダの表面全体に拡がっている。はんだはヒートスプレッダの表面だけでなく、側面の一部にも拡がる。はんだは電極の熱をヒートスプレッダへ伝える。はんだがヒートスプレッダの側面にまで拡がっていることで、電極（半導体素子）の放熱性が向上する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２２－７５９９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

一般に電極とヒートスプレッダは平面視したときの形状が多角形であり、相似形である。ヒートスプレッダが電極よりも小さい。この場合、電極の角部とヒートスプレッダの角部との間の距離が、電極の辺とヒートスプレッダの辺との間の距離よりも長くなる。従って電極の角部の熱がヒートスプレッダへ伝搬し難い。本明細書は、電極の角部の放熱性を高める技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本明細書が開示する半導体装置は、表面に多角形の電極が露出している半導体素子と、電極にはんだで接合されているヒートスプレッダを備える。ヒートスプレッダは、平面視したときに、電極の輪郭の内側に位置している。ヒートスプレッダは、平面視したときに、ヒートスプレッダの少なくとも一つの角部からスプレッダ角部に最も近い電極の角部に向けて突出する突起を備えている。説明の便宜上、ヒートスプレッダの角部をスプレッダ角部と称し、電極の角部を電極角部と称する。スプレッダ角部に突起を備えることで、電極角部とヒートスプレッダの距離が短くなり、電極角部からヒートスプレッダ（スプレッダ角部）への伝熱性が高まる。すなわち、電極角部の放熱性が向上する。

【0006】

ヒートスプレッダを平面視したときに、突起の先端と電極角部との距離が、ヒートスプレッダの辺と電極の辺の間の距離よりも短いとよい。突起の先端と電極角部との間の距離を短くすることによって、電極角部の放熱性がより向上する。

【0007】

平面視したときに、ヒートスプレッダの突起を除く本体が電極と相似形であってよい。なお、少なくとも、スプレッダ角部の近傍と、スプレッダ角部に最も近い電極角部の近傍が相似形であればよい。

【0008】

突起の側面が本体の側面よりも粗いとよい。粗面化した面には溶融化したはんだが拡がり易い。ヒートスプレッダの本体の側面全体を粗面化すると、電極表面から本体側面へ拡がるはんだの勾配がきつくなる。広い範囲ではんだの勾配がきついと、熱で生じるはんだの内部応力が高くなるおそれがある。高い内部応力がヒートスプレッダの本体の広い範囲で生じるとはんだがダメージを生じるおそがある。突起の側面のみ粗面化することで、伝熱性を高めたい突起と電極角部の間では突起の側面まではんだが拡がるが、ヒートスプレッダの本体では側面にはんだが拡がらない。突起と電極角部の間の伝熱性が高くなり、一方、ヒートスプレッダの本体周辺では内部応力が高くならない。

【0009】

突起の電極に対向する縁が丸みをおびているとよい。丸みを付すことでもはんだが突起側面へ拡がりやすくなる。

【0010】

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施例の半導体装置の平面図である。

【図2】図１のII－II線に沿った断面図である。

【図3】樹脂パッケージと一方の端子板を外した半導体装置の平面図である。

【図4】図３の破線IVの範囲の拡大図である

【図5】図４のＶ-Ｖ線に沿った断面図である。

【図6】第１変形例の半導体装置の断面図である（図５の破線VIの範囲に相当する部分）

【図7】第２変形例の半導体装置の断面図である（図５の破線VIの範囲に相当する部分）

【図8】第３変形例の半導体装置の平面図である。

【図9】第４変形例の半導体装置の平面図である。

【図10】第５変形例の半導体装置の平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

図面を参照して実施例の半導体装置１００を説明する。図１に、半導体装置１００の平面図を示し、図１のII－II線に沿った断面を図２に示す。半導体装置１００は、２個の半導体素子１１０ａ、１１０ｂを樹脂パッケージ１０１で封止したデバイスである。

【0013】

半導体素子１１０ａ、１１０ｂは、例えば電力変換用の素子である。電力変換用の半導体素子はパワー素子と呼ばれる場合がある。半導体素子１１０ａ、１１０ｂは扁平なチップであり、両方の主面のそれぞれに電極が露出している。一方の主面の電極はコレクタ電極（またはソース電極）であり、他方の主面の電極はエミッタ電極（またはドレイン電極）である。

【0014】

半導体素子１１０ａの一方の電極には端子板１０２ａが接続されており、他方の電極にはヒートスプレッダ１２０ａを介して端子板１０３ａが接続されている。半導体素子１１０ｂの一方の電極には端子板１０２ｂが接続されており、他方の電極にはヒートスプレッダ１２０ｂを介して端子板１０３ｂが接続されている。端子板１０２ａの縁からは継手１０４が延びており、端子板１０３ｂの縁からは継手１０５が延びている。継手１０４と継手１０５が接続されている。すなわち、端子板１０２ａと端子板１０３ｂは導通しており、半導体素子１１０ａと半導体素子１１０ｂは直列に接続されている。

【0015】

また、端子板１０３ａの縁から端子１０６ａが延びており、端子板１０３ｂの縁から端子１０６ｂが延びており、端子板１０２ｂの縁から端子１０６ｃが延びている。端子１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃは樹脂パッケージ１０１から外へ延びている。端子１０６ａは、半導体素子１１０ａ、１１０ｂの直列接続体の高電位側の端子に相当し、端子１０６ｃは、直列接続体の低電位側の端子に相当する。また、端子１０６ｂは直列接続体の中点端子に相当する。

【0016】

端子板１０２ａ、１０２ｂ、１０３ａ、１０３ｂの一方の面は樹脂パッケージ１０１から露出しており、それらは半導体素子１１０ａ、１１０ｂの熱を大気へ放出する放熱板の役割も果たす。ヒートスプレッダ１２０ａは、半導体素子１１０ａの熱を端子板１０３ａに伝える。ヒートスプレッダ１２０ｂも同様である。

【0017】

樹脂パッケージ１０１からは制御端子１１３が延びている。半導体素子１１０ａ（１１０ｂ）の一方の面には電極とともに制御パッドが露出しており、制御端子１１３は制御パッドと導通している。

【0018】

図３に、樹脂パッケージ１０１と一方の端子板１０３ａ、１０３ｂを外した半導体装置１００の平面図を示す。図３では、樹脂パッケージ１０１は仮想線で示してある。図１、２の半導体装置１００の右半分側の構造と左半分側の構造は同じであるので、図３では左半分の側の構造にだけ符号を付した。図３には半導体素子１１０ａの表面に設けられた制御パッド１１５が現れている。制御パッド１１５は、ボンディングワイヤ１１４で制御端子１１３に接続されている。なお、電極１１１の縁は保護膜１３３で覆われているが、図３では保護膜１３３の図示は省略した。保護膜は以後の図４、５に示されている。

【0019】

図４に、図３の破線IVの範囲の拡大図を示す。図４以降では、半導体素子１１０ａ、端子板１０２ａ、ヒートスプレッダ１２０ａはそれぞれ、半導体素子１１０、端子板１０２、ヒートスプレッダ１２０と表記する。図５に、図４のＶ－Ｖ線に沿った断面図を示す。図５は、図４の半導体素子１１０を、左側の縁から右下の角まで横断する断面を示している。

【0020】

半導体素子１１０の下面の電極１１２ははんだ１３２で端子板１０２に接合されている。半導体素子１１０の上面の電極１１１ははんだ１３１でヒートスプレッダ１２０に接合されている。理解を助けるために、図４、５では、はんだ１３１、１３２をグレーのハッチングで示した。

【0021】

先に述べたように、電極１１１は矩形であり、その縁は保護膜１３３で覆われている。はんだ１３１は保護膜１３３には付着しない。はんだ１３１は、半導体装置１００を平面視したとき、保護膜１３３の縁からヒートスプレッダ１２０の縁の間に拡がる。

【0022】

ヒートスプレッダ１２０について説明する。ヒートスプレッダ１２０は、伝熱性の高い物質（例えば銅）で作られている。ヒートスプレッダ１２０は、金属板、あるいは金属ブロックである。ヒートスプレッダ１２０は、電極１１１の熱を端子板１０２（図２参照）に伝える。

【0023】

ヒートスプレッダ１２０は、スプレッダ本体１２１と、突起１２２を備えている。スプレッダ本体１２１は、半導体装置１００を平面視したときに、電極１１１と相似である。平面視したとき、スプレッダ本体１２１は、電極１１１の輪郭の内側に位置する。突起１２２を含めたヒートスプレッダ１２０の全体も、電極１１１の輪郭の内側に位置する。

【0024】

突起１２２は、スプレッダ本体１２１の角（スプレッダ角部１２１ｃ）に設けられている。突起１２２は、スプレッダ角部１２１ｃから電極１１１の角部（電極角部１１１ｃ）に向けて突出している。なお、図４では、右下の角部にのみ、符号１２１ｃ、１１１ｃ、１２２ｐを付し、残りの角部には符号を省略した。符号１２２ｐは、突起１２２の先端を示している。

【0025】

図５に示されているように、はんだ１３１は、ヒートスプレッダ１２０の下面全体に広がる。先に述べたように、スプレッダ本体１２１は、電極１１１と相似である。それゆえ、スプレッダ角部１２１ｃと電極角部１１１ｃとの間の距離は、スプレッダ本体１２１と電極１１１の平行な辺の間の距離（図４の距離Ｌ２）よりも長くなる。別言すれば、スプレッダ角部１２１ｃと電極角部１１１ｃを結ぶ線上におけるはんだ１３１の幅は、スプレッダ本体１２１と電極１１１の平行な辺の間におけるはんだ１３１の幅（図４の幅Ｗ２）よりも長くなる。それゆえ、突起１２２が無い場合、電極角部１１１ｃの熱は、スプレッダ本体１２１に伝わり難い。別言すれば、電極角部１１１ｃからスプレッダ本体１２１への伝熱効率は、平行な辺における伝熱効率よりも低い。

【0026】

実施例の半導体装置１００では、スプレッダ角部１２１ｃから電極角部１１１ｃへ向けて突起１２２が延びている。突起１２２の裏面と電極１１１の間もはんだ１３１で満たされる。図４に示すように、突起１２２の先端１２２ｐと電極角部１１１ｃの間の距離Ｌ１は、スプレッダ本体１２１と電極１１１の平行な辺の間の距離Ｌ２よりも短くなる。別言すれば、スプレッダ角部１２１ｃと電極角部１１１ｃを結ぶ線上におけるはんだ１３１の幅Ｗ１は、スプレッダ本体１２１と電極１１１の平行な辺の間におけるはんだ１３１の幅Ｗ２よりも短くなる。それゆえ、電極角部１１１ｃからスプレッダ本体１２１への伝熱効率が向上する。

【0027】

図４に示すように、電極１１１は矩形であり、スプレッダ本体１２１は電極１１１に相似である。スプレッダ本体１２１の四隅のそれぞれに突起１２２が設けられている。スプレッダ本体１２１の全ての角に突起１２２が設けられていることが望ましいが、少なくとも１つの角部に突起１２２が設けられていれば、伝熱効率が向上する。

【0028】

なお、電極１１１とほぼ同じ大きさのスプレッダ本体１２１を用意すれば、スプレッダ角部１２１ｃと電極角部１１１ｃを結ぶ線上におけるはんだ１３１の幅も狭くなる。ただし、電極１１１とスプレッダ本体１２１がほぼ同じ大きさであると、電極１１１に対するはんだ１３１の表面（図５の矢印Ａが指す表面）の傾斜が大きくなる。はんだの表面の傾斜が大きくなると、熱によってはんだ内に生じる応力が大きくなる。応力を抑えるには、電極１１１よりも小さいスプレッダ本体１２１を採用し、電極１１１に対するはんだの表面の傾斜をゆるやかにする必要がある。一方、電極１１１よりも小さいスプレッダ本体１２１を採用することで、前述したように、スプレッダ角部１２１ｃと電極角部１１１ｃの間のはんだの幅が広くなり、電極角部１１１ｃからスプレッダ本体１２１への伝熱効率が下がる。突起１２２を備えることで、電極角部１１１ｃからスプレッダ本体１２１への伝熱効率を高めることができる。

【0029】

図６と図７を参照して変形例の半導体装置を説明する。図６は、第１変形例の半導体装置１００ａの断面図である。図６は、図５の破線VIの範囲に相当する。半導体装置１００ａでは、突起１２２の側面１２２ａが、スプレッダ本体１２１の側面よりも粗い。表面粗さが大きいとはんだが付着しやすくなる。図６に示すように、はんだの表面１３１ａは、突起１２２の側面１２２ａの途中まで拡がる。突起１２２と電極角部１１１ｃの間が多くのはんだで満たされるので、電極角部１１１ｃからヒートスプレッダ１２０への伝熱効率が高まる。

【0030】

図７は、第２変形例の半導体装置１００ｂの断面図である。図７は、図５の破線VIの範囲に相当する。半導体装置１００ｂでは、突起１２２の電極１１１に対向する縁１２２ｂが丸みをおびている。縁が丸みをおびていることでもはんだが付着しやすくなる。図７に示すように、はんだの表面１３１ａは、突起１２２の丸みをおびている縁１２２ｂの途中まで拡がる。この場合も、突起１２２と電極角部１１１ｃの間が多くのはんだで満たされるので、電極角部１１１ｃからヒートスプレッダ１２０への伝熱効率が高まる。

【0031】

図８－図１０を参照して、半導体装置の別の変形例を説明する。図８－図１０は、ヒートスプレッダを平面視したときの半導体装置の図である。図８－図１０では、電極の形状とヒートスプレッダの形状に着目し、保護膜とはんだの図示は省略した。図８は、第３変形例の半導体装置１００ｃの平面図である。電極２１１は、図の右下に凸部を有する多角形である。一方、ヒートスプレッダ２２０のスプレッダ本体２２１は、矩形である。図９にて破線Ｂの範囲では、スプレッダ本体２２１は電極２１１と相似である。そして、破線Ｂの範囲では、スプレッダ本体２２１の角部から、最も近い電極角部へ向けて突起２２２が延びている。破線Ｂ内の３個の突起２２２は、半導体装置１００の突起１２２と同じ効果を奏する。図９において、スプレッダ本体２２１の右下にも突起２２２が設けられている。この突起２２２も、電極２１１の右下の凸部からスプレッダ本体２２１への伝熱効率を高めることに寄与する。

【0032】

図９は、第４変形例の半導体装置１００ｄの平面図である。電極３１１は、図の右下に凸部を有する多角形である。ヒートスプレッダ３２０のスプレッダ本体３２１は、電極３１１と相似形である。スプレッダ本体３２１の角部から、最も近い電極角部へ向けて突起３２２が延びている。ただし、スプレッダ本体３２１は、鈍角の角部Ｃを有しており、この角部には突起は設けられていない。半導体装置１００ｄの突起３２２は、半導体装置１００の突起１２２と同じ効果を奏する。

【0033】

図１０は、第５変形例の半導体装置１００ｅの平面図である。電極４１１は、図の右下と左下に凸部を有する多角形である。ヒートスプレッダ４２０のスプレッダ本体４２１は、電極４１１と相似形である。スプレッダ本体４２１の角部から、最も近い電極角部へ向けて突起４２２が延びている。ただし、スプレッダ本体４２１は、鈍角の角部Ｄを有しており、この角部には突起は設けられていない。半導体装置１００ｅの突起４２２は、半導体装置１００の突起１２２と同じ効果を奏する。

【0034】

図８－１０のいずれの半導体装置でも、平面視したときに、ヒートスプレッダは電極の内側に位置する。ヒートスプレッダのいずれかの角部付近の形状は、対応する電極角部付近の形状と相似である。

【0035】

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。

【符号の説明】

【0036】

１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ、１００ｅ：半導体装置 １０１：樹脂パッケージ １０２：端子板 １１０：半導体素子 １１１、１１２、２１１、３１１、４１１：電極 １１１ｃ：電極角部 １２０、１２０ａ、１２０ｂ、２２０、３２０、４２０：ヒートスプレッダ １２１、２２１、３２１、４２１：スプレッダ本体 １２１ｃ ：スプレッダ角部 １２２、２２２、３２２、４２２：突起 １３１、１３２：はんだ １３３：保護膜

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】