特許 7172846 半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-11-08

(45)【発行日】2022-11-16

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/40 20060101AFI20221109BHJP

【ＦＩ】

H01L23/40 Z

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2019092425

(22)【出願日】2019-05-15

(65)【公開番号】P2020188163

(43)【公開日】2020-11-19

【審査請求日】2021-09-22

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(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】武 直矢

(72)【発明者】

【氏名】満永 智明

(72)【発明者】

【氏名】大島 正範

(72)【発明者】

【氏名】奥村 知巳

【審査官】正山 旭

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－１２６０５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１９７７０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－００９２８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１４７２１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０２７８７７４（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２３／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電極を有する半導体素子と、
前記半導体素子を封止する封止体と、
前記封止体の内部において前記電極に導体スペーサを介して接合された導体板と、
を備え、
前記導体スペーサは、前記導体板に対向する接合面と、前記接合面の周縁から前記半導体素子に向けて延びる側面とを有し、
前記導体スペーサの前記接合面は、前記導体板にはんだ層を介して接合されており、
前記導体スペーサの前記側面は、前記導体板側に位置する第１範囲と、前記第１範囲よりも前記半導体素子側に位置する第２範囲とを有し、
前記第１範囲は、前記第２範囲よりもはんだ濡れ性が高く、前記はんだ層に接触しており、
前記第２範囲は、前記第１範囲よりも表面粗さが大きく、前記封止体に接触している、
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。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、半導体装置が開示されている。この半導体装置は、半導体素子と、半導体素子を封止する封止体と、封止体の内部において半導体素子に導体スペーサを介して接合された導体板を備える。導体スペーサは、導体板に対向する接合面と、接合面の周縁から半導体素子に向けて延びる側面を有している。導体スペーサの接合面は、導体板にはんだ層を介して接合されている。

【0003】

上記の半導体装置では、導体スペーサが金属で構成されており、その側面にレーザ光を照射することによって、微細な凹凸を有する金属酸化膜が形成されている。このような金属酸化膜が形成されていると、はんだに対する濡れ性が低くなることから、導体板と導体スペーサとの間に位置するはんだが、導体スペーサの側面にまで濡れ広がることが抑制される。これにより、導体スペーサの側面は、はんだ層によって覆われることなく、封止体と広く接触することができる。加えて、凹凸を有する金属酸化膜が存在することで、導体スペーサの側面と、例えば樹脂を用いて構成される封止体とは、アンカー効果によって強固に密着する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１６－１９７７０６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記のような半導体装置では、導体板と導体スペーサとの間のはんだ層において、エレクトロマイグレーションに起因する経年劣化が生じ得る。エレクトロマイグレーションの進行は、はんだ層を流れる電流の密度に相関するので、それに起因する経年劣化を抑制するためには、はんだ層を流れる電流の密度を低下させることが有効である。はんだ層を流れる電流の密度を低下させるためには、はんだ層の面積を拡大することが考えられるが、そのために半導体素子や導体スペーサのサイズを拡大すれば、半導体装置の大型化を招いてしまう。従って、本明細書では、半導体装置の大型化を招くことなく、導体板と導体スペーサとの間のはんだ層における電流密度を低下させ得る技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本明細書が開示する半導体装置は、電極を有する半導体素子と、半導体素子を封止する封止体と、封止体の内部において電極に導体スペーサを介して接合された導体板を備える。導体スペーサは、導体板に対向する接合面と、接合面の周縁から半導体素子に向けて延びる側面を有している。導体スペーサの接合面は、導体板にはんだ層を介して接合されている。導体スペーサの側面は、導体板側に位置する第１範囲と、当該第１範囲よりも半導体素子側に位置する第２範囲を有している。第１範囲は、第２範囲よりもはんだ濡れ性が高く、はんだ層に接触しており、第２範囲は、第１範囲よりも表面粗さが大きく、封止体に接触している。

【0007】

上記した半導体装置では、導体スペーサの側面が、導体板側に位置する第１範囲と、第１範囲よりも半導体素子側に位置する第２範囲とを有している。第１範囲は、第２範囲よりもはんだ濡れ性が高く、はんだ層に接触している。即ち、導体板と導体スペーサとの間のはんだ層は、導体スペーサの接合面だけなく、導体スペーサの側面にまで濡れ広がっている。このような構成によると、半導体装置の大型化を招くことなく、はんだ層の面積を拡大することができ、はんだ層における電流密度を低下させることができる。一方で、導体スペーサの側面がはんだ層によって広く覆われてしまうと、導体スペーサと封止体との間の密閉性が損なわれてしまう。この点に関して、導体スペーサの側面には、はんだ濡れ性が比較的に低い第２範囲がさらに設けられており、はんだ層の濡れ広がりが第１範囲までに制限され易い。これにより、導体スペーサの側面は、少なくとも第２範囲において封止体と直接的に接触することができる。加えて、当該第２範囲は、はんだ層に覆われる第１範囲と異なり、その表面粗さが選択的に大きくされているので、封止体と強固に密着することができ、導体スペーサと封止体との間に必要とされる密閉性が確保される。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施例の半導体装置１０の内部構造を示す断面図。

【図2】図１のＩＩ部における拡大図。

【図3】導体スペーサ１４の側面１４ｃにおける一変形例を示す断面図。

【発明を実施するための形態】

【0009】

図面を参照して、実施例の半導体装置１０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。

【0010】

図１に示すように、半導体装置１０は、半導体素子１２と、導体スペーサ１４と、上側導体板１６と、下側導体板１８と、封止体２０とを備える。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。封止体２０は、概して板形状を有しており、互いに反対側に位置する二つの主表面を有する。一方の主表面には上側導体板１６が露出しており、他方の主表面には下側導体板１８が露出している。上側導体板１６及び下側導体板１８は、封止体２０の内部において半導体素子１２と電気的及び熱的に接続されている。これにより、上側導体板１６及び下側導体板１８は、半導体素子１２に接続された電気回路の一部を構成するとともに、半導体素子１２の熱を外部へ放熱する放熱板として機能する。ここで、上側導体板１６は、本明細書が開示する導体板の一例である。

【0011】

半導体素子１２は、主に半導体基板で構成されているとともに、一対の主電極１２ａ、１２ｂをさらに有する。一対の主電極１２ａ、１２ｂには、第１主電極１２ａと第２主電極１２ｂが含まれている。第１主電極１２ａ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。一対の主電極１２ａ、１２ｂは、半導体基板を介して電気的に接続される。ここで、第１主電極１２ａは、本明細書が開示する技術における電極の一例である。

【0012】

半導体素子１２は、パワー半導体素子であって、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。但し、半導体素子１２はＩＧＢＴに限られず、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）又はダイオードであってもよい。なお、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を構成する半導体材料には、例えばケイ素（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）又は他の種類のバンドギャップが大きい半導体（ワイドギャップ半導体とも称される）材料を採用することができる。

【0013】

導体スペーサ１４は、上側導体板１６と半導体素子１２との間に位置する。導体スペーサ１４は、概してブロック形状を有しており、主に、第１主表面１４ａと第２主表面１４ｂと側面１４ｃとを有する。第２主表面１４ｂは、第１主表面１４ａの反対側に位置しており、側面１４ｃは、第１主表面１４ａの周縁から半導体素子１２に向かって第２主表面１４ｂの周縁まで延びている。導体スペーサ１４は、例えば銅又は他の金属といった導体材料を用いて形成されている。導体スペーサ１４の第１主表面１４ａは、後述する上側導体板１６の第２主表面１６ｂにはんだ層２２を介して接合される。導体スペーサ１４の第２主表面１４ｂ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。ここで、導体スペーサ１４の第１主表面１４ａは、本明細書が開示する接合面の一例である。

【0014】

上側導体板１６及び下側導体板１８は、半導体素子１２を挟んで対向している。上側導体板１６及び下側導体板１８は、概して板形状又は直方体形状を有しており、例えば銅又は他の金属といった導体材料を用いて形成されている。上側導体板１６は、第１主表面１６ａと、その反対側に位置する第２主表面１６ｂを有する。上側導体板１６の第１主表面１６ａは、封止体２０の一方の表面において露出されている。前述したが、上側導体板１６の第２主表面１６ｂは、導体スペーサ１４の第１主表面１４ａに接合される。これにより、上側導体板１６は、導体スペーサ１４を介して、上述したように半導体素子１２と電気的及び熱的に接続されている。

【0015】

上側導体板１６と同様に、下側導体板１８は、第１主表面１８ａと、その反対側に位置する第２主表面１８ｂを有する。下側導体板１８の第１主表面１８ａは、半導体素子１２の第２主電極１２ｂとはんだ層２６を介して接合される。これにより、下側導体板１８は、上述したように半導体素子１２と電気的及び熱的に接続されている。また、下側導体板１８の第２主表面１８ｂは、封止体２０の他方の表面において露出されている。

【0016】

次に、図２を参照して、導体スペーサ１４について詳細に説明する。導体スペーサ１４の第１主表面１４ａには、金属膜１３が設けられている。この金属膜１３は、例えばニッケル系金属を用いて構成されためっき膜である。ここでいうニッケル系金属とは、純ニッケル又はニッケルを主成分とした合金を示す。第１主表面１４ａは、金属膜１３においてはんだ層２２と接触する。同様に、導体スペーサ１４の第２主表面１４ｂにも、金属膜１３が設けられていてもよい。なお、上側導体板１６と導体スペーサ１４との間に位置するはんだ層２２は、導体スペーサ１４の第１主表面１４ａだけでなく、側面１４ｃの上側部分（後述する第１範囲１４ｃ１）にも接触する。

【0017】

導体スペーサ１４は、側面１４ｃを有しており、側面１４ｃには第１範囲１４ｃ１と第２範囲１４ｃ２が含まれている。第１範囲１４ｃ１は、側面１４ｃのうち上側（即ち上側導体板１６側）に位置している。側面１４ｃの第１範囲１４ｃ１には、金属膜１５ａが設けられている。この金属膜１５ａは、例えばニッケル系金属を用いて構成されためっき膜である。また、金属膜１５ａは、金又はニッケル／パラジウム／金といった組み合わせによって構成されていてもよい。導体スペーサ１４の側面１４ｃは、第１範囲１４ｃ１においてはんだ層２２と接触する。

【0018】

第２範囲１４ｃ２は、導体スペーサ１４の側面１４ｃのうち下側（即ち半導体素子１２側）に位置する。但し、第２範囲１４ｃ２の具体的な位置は特に限定されず、少なくとも第１範囲１４ｃ１よりも半導体素子１２側に位置していればよい。一例であるが、側面１４ｃの第２範囲１４ｃ２には、金属酸化膜１５ｂが設けられている。この金属酸化膜１５ｂは、例えば金属膜１５ａを酸化させたものであり、酸化されたニッケル系金属を用いて構成されている。但し、金属酸化膜１５ｂは、他の金属の酸化物で構成されてもよい。金属酸化膜１５ｂの膜厚は、例えば１０ｎｍ～１００ｎｍであってよい。

【0019】

第２範囲１４ｃ２に形成された金属酸化膜１５ｂは、第１範囲１４ｃ１に形成された金属膜１５ａよりも、表面粗さが大きくなっており、はんだに対する濡れ性（以下、はんだ濡れ性という）が低い。従って、導体スペーサ１４の側面１４ｃにおいて、第１範囲１４ｃ１は第２範囲１４ｃ２よりもはんだ濡れ性が高い。これに加え、第２範囲１４ｃ２は、第１範囲１４ｃ１よりも表面粗さが大きい。即ち、第２範囲１４ｃ２は、第１範囲１４ｃ１よりも粗面化された状態となっている。なお、金属膜１５ａのはんだ濡れ性は、導体スペーサ１４の母材（例えば銅）よりも高く、第１範囲１４ｃ１では、金属膜１５ａの存在によって導体スペーサ１４のはんだ濡れ性が高められている。また、同様の金属膜は、上側導体板１６にも設けられている。

【0020】

具体的には、導体スペーサ１４の第２範囲１４ｃ２の表面上には、微細な凹凸が表面全体に亘って形成された金属酸化膜１５ｂが設けられている。一例ではあるが、本実施例における金属酸化膜１５ｂは、導体スペーサ１４の側面１４ｃ全体に金属膜１５ａを形成した後、第２範囲１４ｃ２へ選択的にレーザ照射をすることによって形成されている。なお、このような金属酸化膜１５ｂの形成については、例えば特許文献１（特開２０１６－１９７７０６号公報）に開示された手法を用いて行うことができる。一例ではあるが、金属酸化膜１５ｂ上の微細な凹凸における各凹部の幅は５μｍ～５００μｍであり、凹部の深さは０．５μｍ～５μｍである。また、凸部の平均幅は例えば１ｎｍ～３００ｎｍであり、凸部間の平均間隔が例えば１ｎｍ～３００ｎｍである。

【0021】

また、導体スペーサ１４の側面１４ｃを粗面化する場合は、導体スペーサ１４及びそれに接合される各部材（ここでは半導体素子１２と上側導体板１６）の線膨張係数を考慮して、粗面化の開始側及び終了側を定めるとよい。例えば本実施例の構成によると、導体スペーサ１４と半導体素子１２との間の線膨張係数の差が、導体スペーサ１４と上側導体板１６との間の線膨張係数の差よりも大きい。この場合は、半導体素子１２側（即ち、第２主表面１４ｂ側）から粗面化を開始して、上側導体板１６側（即ち、第１主表面１４ａ側）で粗面化を終了するとよい。

【0022】

一般に半導体装置では、例えば上側導体板１６と導体スペーサとの間のはんだ層２２において、エレクトロマイグレーションに起因する経年劣化が生じ得る。エレクトロマイグレーションの進行は、はんだ層２２を流れる電流の密度に相関するので、それに起因する経年劣化を抑制するためには、はんだ層２２を流れる電流の密度を低下させることが有効である。はんだ層２２を流れる電流の密度を低下させるためには、はんだ層２２の面積を拡大することが考えられるが、そのために半導体素子１２や導体スペーサのサイズを拡大すれば、半導体装置の大型化を招くおそれがある。

【0023】

本実施例の半導体装置１０では、導体スペーサ１４の側面１４ｃが、上側導体板１６側に位置する第１範囲１４ｃ１と、第１範囲１４ｃ１よりも半導体素子１２側に位置する第２範囲１４ｃ２とを有している。第１範囲１４ｃ１は、第２範囲１４ｃ２よりもはんだ濡れ性が高く、はんだ層２２に接触している。即ち、上側導体板１６と導体スペーサ１４との間のはんだ層２２は、導体スペーサ１４の第１主表面１４ａだけなく、導体スペーサ１４の側面１４ｃにまで濡れ広がっている。このような構成によると、半導体装置１０の大型化を招くことなく、はんだ層２２の面積を拡大することができ、はんだ層２２における電流密度を低下させることができる。一方で、導体スペーサ１４の側面１４ｃがはんだ層２２によって広く覆われてしまうと、導体スペーサ１４と封止体２０との間の密閉性が損なわれてしまう。この点に関して、導体スペーサ１４の側面１４ｃには、はんだ濡れ性が比較的に低い第２範囲１４ｃ２がさらに設けられており、はんだ層２２の濡れ広がりが第１範囲１４ｃ１までに制限され易い。これにより、導体スペーサ１４の側面１４ｃは、少なくとも第２範囲１４ｃ２において封止体２０と直接的に接触することができる。加えて、第２範囲１４ｃ２は、はんだ層２２に覆われる第１範囲１４ｃ１と異なり、その表面粗さが選択的に大きくされているので、封止体２０と強固に密着することができ、導体スペーサ１４と封止体２０との間に必要とされる密閉性が確保される。

【0024】

なお、導体スペーサ１４の側面１４ｃの構成については、様々に変更可能である。図３を参照して、導体スペーサ１４の側面１４ｃの一変形例について説明する。導体スペーサ１４の側面１４ｃにおいて、第１範囲１４ｃ１よりも半導体素子１２側に位置する少なくとも一つの第２範囲１４ｃ２が存在すればよい。図３に示すように、導体スペーサ１４は、その側面１４ｃのうち第２範囲１４ｃ２と導体スペーサ１４の第２主表面１４ｂとの間にさらに第３範囲１４ｃ３を有していてもよい。第３範囲１４ｃ３は、例えば第１範囲１４ｃ１と同様の金属膜１５ａと第２範囲１４ｃ２と同様の金属酸化膜１５ｂとが交互に配置されていてもよい。

【0025】

本実施例の半導体装置１０の導体スペーサ１４において、側面１４ｃの第２範囲１４ｃ２は、レーザ照射によって粗面化しているが、他の粗面化手段によって粗面化してもよい。

【0026】

本実施例の半導体装置１０の導体スペーサ１４において、第１主表面１４ａの金属膜１３と、側面１４ｃの第１範囲１４ｃ１における金属膜１５ａは一体の膜として連続的に形成されていてもよいし、別個の膜としてそれぞれ形成されていてもよい。

【0027】

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。

【符号の説明】

【0028】

１０：半導体装置
１２：半導体素子
１２ａ、１２ｂ：主電極
１３、１５ａ：金属膜
１４：導体スペーサ
１４ｃ：側面
１４ｃ１：第１範囲
１４ｃ２：第２範囲
１５ｂ：金属酸化膜
１６、１８：導体板
２０：封止体
２２、２４、２６：はんだ層

【図1】

【図2】

【図3】