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公開番号2020202293
公報種別公開特許公報(A)
公開日20201217
出願番号2019108191
出願日20190610
発明の名称半導体装置
出願人住友電気工業株式会社
代理人個人,個人
主分類H01L 23/48 20060101AFI20201120BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】信頼性の向上を図ることができる半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置11は、回路パターン14を有する基板13と、回路パターン14上に配置される半導体チップ15a,15bと、第1領域32aと第2領域33aとに分割された接合面31aを有し、接合面31aが回路パターン14と接合されている電極17aと、を備える。
【選択図】図4
特許請求の範囲【請求項1】
回路パターンを有する基板と、
前記回路パターン上に配置される半導体チップと、
第1領域と第2領域とに分割された接合面を有し、前記接合面が前記回路パターンと接合されている電極と、を備える、半導体装置。
続きを表示(約 330 文字)【請求項2】
前記第1領域と前記第2領域とは、溝によって分割されている、請求項1に記載の半導体装置。
【請求項3】
前記溝の深さは、前記溝の深さ方向における前記電極の長さの1/3以上である、請求項2に記載の半導体装置。
【請求項4】
前記溝の深さは、200μm以上である、請求項2または請求項3に記載の半導体装置。
【請求項5】
前記第1領域と前記第2領域とは、前記電極を貫通する孔によって分割されている、請求項1に記載の半導体装置。
【請求項6】
前記第1領域の面積に対する前記第2領域の面積の比率は、1以上7/3以下である、請求項1から請求項5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】
本開示は、半導体装置に関するものである。
続きを表示(約 7,400 文字)【背景技術】
【0002】
絶縁基板、回路パターンおよび半導体チップを金属製の放熱板上に搭載した半導体装置が知られている(例えば、特許文献1および特許文献2参照)。半導体装置は、半導体装置の外部と電気的に接続される電極を備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特開2014−183157号公報
特開2013−4658号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
電極と回路パターンとが超音波ツールを用いて接合される場合がある。この場合、回路パターンの変形や絶縁板からの回路パターンの剥離が生ずることがある。接合時に回路パターンの変形や絶縁板からの回路パターンの剥離が生じると、半導体装置の安定した動作を確保することが困難となる。その結果、半導体装置の信頼性が低くなってしまう。
【0005】
そこで、信頼性の向上を図ることができる半導体装置を提供することを目的の1つとする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本開示に従った半導体装置は、回路パターンを有する基板と、回路パターン上に配置される半導体チップと、第1領域と第2領域とに分割された接合面を有し、接合面が回路パターンと接合されている電極と、を備える。
【発明の効果】
【0007】
上記半導体装置によれば、信頼性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
図1は、実施の形態1における半導体装置を放熱板の板厚方向に見た場合の概略平面図である。
図2は、図1に示す半導体装置の概略斜視図である。
図3は、電極の一部を示す概略斜視図である。
図4は、接合部を板厚方向に見た概略平面図である。
図5は、実施の形態2における半導体装置に含まれる電極の一部を示す概略斜視図である。
図6は、図5に示す電極の一部を放熱板の板厚方向に見た場合の概略平面図である。
図7は、実施の形態3における半導体装置に含まれる電極の一部を放熱板の板厚方向に見た場合の概略平面図である。
図8は、図7に示す電極の一部の概略側面図である。
図9は、実施の形態4における半導体装置に含まれる電極の一部を放熱板の板厚方向に見た場合の概略平面図である。
図10は、図9に示す電極の一部の概略側面図である。
図11は、実施の形態5における半導体装置に含まれる電極の一部を放熱板の板厚方向に見た場合の概略平面図である。
図12は、実施の形態6における半導体装置に含まれる電極の一部を放熱板の板厚方向に見た場合の概略平面図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
[本開示の実施形態の説明]
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。本開示に係る半導体装置は、回路パターンを有する基板と、回路パターン上に配置される半導体チップと、第1領域と第2領域とに分割された接合面を有し、接合面が回路パターンと接合されている電極と、を備える。
【0010】
電極と回路パターンとの間で大きな電流を流す観点から、電極と回路パターンとをある程度大きい面積で接合する場合、超音波ツールを用いて電極と回路パターンとを直接接合することが考えられる。超音波ツールによる接合は、電極と回路パターンとを接触させた状態で、超音波ツールのヘッドを電極に押し当て、超音波による振動のエネルギーを電極と回路パターンとの界面に付与することにより行う。超音波により付与される振動のエネルギーが小さければ、電極と回路パターンとの接合が不十分となるおそれがある。一方、超音波により付与される振動のエネルギーが大きすぎると、過剰な振動のエネルギーが回路パターンに負荷されてしまうことになる。その結果、回路パターンの変形や回路パターンの絶縁板からの剥離が生じるおそれがある。このような半導体装置では、安定した動作を確保することが困難となり、信頼性が低くなってしまう。
【0011】
本発明者は、超音波ツールを用いた超音波による接合に際し、電極の接合面の縁から接合面の中央までの距離が遠くなるほど、超音波により付与する振動のエネルギーが回路パターンに多く負荷されることに着目した。そして、十分な接合の強度を確保しながら、回路パターンに負荷される振動のエネルギーが過大とならない構成について検討した。
【0012】
本開示の半導体装置は、第1領域と第2領域とに分割された接合面を有する電極を備える。よって、接合面の縁から接合面の中央までの距離が近くなり、電極と回路パターンとを超音波ツールを用いて接合する際に、接合面において超音波によって回路パターンに付与される振動のエネルギーが過大になることを抑制することができる。したがって、電極と回路パターンとの接合時において、回路パターンの変形や回路パターンの絶縁板からの剥離が生じるおそれを低減することができる。その結果、半導体装置の信頼性の向上を図ることができる。
【0013】
上記半導体装置において、第1領域と第2領域とは、溝によって分割されていてもよい。このようにすることにより、溝を規定する壁面が位置する領域において第1領域が配置される部分と第2領域が配置される部分とを連結させて、電極と回路パターンの接合中に第1領域が配置される部分と第2領域が配置される部分との間隔が広がることを抑制することができる。したがって、適切に電極と回路パターンとを接合することができ、信頼性の高い半導体装置を安定して得ることができる。
【0014】
上記半導体装置において、溝の深さは、溝の深さ方向における電極の長さの1/3以上であってもよい。溝の深さを溝の深さ方向における電極の長さの1/3以上とすることにより、溝によって第1領域と第2領域とを確実に分割された状態で接合することが容易になる。
【0015】
上記半導体装置において、溝の深さは、200μm以上であってもよい。溝の深さをこのような数値範囲とすることにより、回路パターンの変形や回路パターンの絶縁板からの剥離が生じるおそれを低減することができる。
【0016】
上記半導体装置において、第1領域と第2領域とは、電極を貫通する孔によって分割されていてもよい。このようにすることにより、より確実に第1領域と第2領域とを分割した状態で、電極と回路パターンとを接合することができる。したがって、電極と回路パターンとを超音波ツールを用いて接合する際に、接合面において超音波によって回路パターンに付与される振動のエネルギーが過大になることをより確実に抑制することができる。
【0017】
上記半導体装置において、第1領域の面積に対する第2領域の面積の比率は、1以上7/3以下であってもよい。このようにすることにより、超音波による接合時において、付与される振動のエネルギーが第1領域または第2領域において過大になるのを抑制することが容易になる。したがって、信頼性の高い半導体装置を安定して得ることができる。
【0018】
[本開示の実施形態の詳細]
次に、本開示の半導体装置の一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照符号を付しその説明は繰り返さない。
【0019】
(実施の形態1)
本開示の実施の形態1における半導体装置の構成について説明する。図1は、実施の形態1における半導体装置を放熱板の板厚方向に見た場合の概略平面図である。図2は、図1に示す半導体装置の概略斜視図である。
【0020】
図1および図2を参照して、実施の形態1における半導体装置11は、放熱板12と、回路パターン14を有し、放熱板12上に配置される基板13と、回路パターン14上に配置される半導体チップ15a,15bと、板状の電極(バスバー)17a,17b,17cと、複数のワイヤ18a,18b,18c,18d,18e,18fと、枠体(図示せず)と、を備える。
【0021】
放熱板12は、金属製である。放熱板12は、例えば銅製である。放熱板12の表面には、ニッケルめっき処理が施されてもよい。放熱板12の平面形状は、長方形である。基板13は、放熱板12の一方の主面12a上に図示しないはんだによって接合される。放熱板12の他方の主面12bには、例えば、放熱を効率的に行う放熱フィン(図示しない)等が取り付けられる場合がある。
【0022】
基板13は、絶縁性を有する絶縁板21と、回路パターン14と、を有する。絶縁板21は、例えばセラミック製である。絶縁板21は、具体的にはAlN、SiNまたはAl



から構成される。絶縁板21は、ガラス製であってもよい。回路パターン14は、絶縁板21の上に配置される。基板13は、絶縁板21の上に回路パターン14を積層した構成である。回路パターン14は、複数の回路板から構成される。本実施形態においては、回路パターン14は、第1回路板14aと、第2回路板14bと、第3回路板14cと、第4回路板14dと、第5回路板14eと、を含む。本実施形態においては、回路パターン14は、銅配線である。なお、枠体は、例えば絶縁性を有する樹脂製であり、基板13を取り囲むように放熱板12上に固定される。
【0023】
半導体チップ15a,15bは、回路パターン14上に配置される。具体的には、半導体チップ15aは、第1回路板14a上に配置される。半導体チップ15bは、第3回路板14c上に配置される。半導体チップ15a,15bは、ワイドバンドギャップ半導体を含む。ワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、SiC、GaN等といった化合物半導体が挙げられる。半導体チップ15a、15bは、例えば電界効果トランジスタである。
【0024】
電極17a,17b,17cはそれぞれ、板状であって、金属製である。電極17a〜17cは、それぞれ屈曲した帯状の形状を有する。放熱板12の板厚方向(Z方向)に見て、放熱板12の外周面の長辺に対応する方向(X方向)において、電極17aと電極17bとは向かい合って配置される。電極17cは、X方向において電極17aと電極17bとの間に配置される。本実施形態においては、電極17aは、P端子に相当し、電極17bは、N端子に相当し、電極17cは、O端子に相当する。なお、X方向に直交する方向が、Y方向である。電極17a〜17cは、それぞれ例えば、帯状の銅板を折り曲げて形成される。電極17aは、X−Y平面に平行であって回路パターン14と接合される接合部28aと、接合部28aに連なる本体部29aと、を含む。電極17bは、X−Y平面に平行であって回路パターン14に接合される接合部28bと、接合部28bに連なる本体部29bと、を含む。電極17cは、X−Y平面に平行であって回路パターン14に接合される接合部28cと、接合部28cに連なる本体部29cと、を含む。半導体装置11は、電極17a〜17cによって外部との電気的な接続を確保する。
【0025】
電極17aと回路パターン14とは、接合部28aと第1回路板14aとが直接接合されることにより電気的に接続される。電極17bと回路パターン14とは、接合部28bと第2回路板14bとが直接接合されることにより電気的に接続される。電極17cと回路パターン14とは、接合部28cと第3回路板14cとが直接接合されることにより電気的に接続される。半導体チップ15aのゲート電極と回路パターン14の第4回路板14dとは、ワイヤ18aで電気的に接続される。半導体チップ15bのゲート電極と回路パターン14の第5回路板14eとは、ワイヤ18bで電気的に接続される。半導体チップ15aのソース電極と回路パターン14の第3回路板14cとは、複数のワイヤ18cで電気的に接続される。半導体チップ15bのソース電極と回路パターン14の第2回路板14bとは、複数のワイヤ18dで電気的に接続される。半導体チップ15aのゲート電極およびソース電極が配置される側とは反対側の面に位置するそれぞれのドレイン電極と回路パターン14の第1回路板14aとは、図示しないはんだで電気的に接続される。半導体チップ15bのゲート電極およびソース電極が配置される側とは反対側の面に位置するそれぞれのドレイン電極と回路パターン14の第3回路板14cとは、図示しないはんだで電気的に接続される。回路パターン14の第4回路板14dと図示しないゲート端子とは、ワイヤ18eで電気的に接続される。回路パターン14の第5回路板14eと図示しないゲート端子とは、ワイヤ18fで電気的に接続される。ワイヤ18a〜18fには、アルミニウム太線を採用してもよいし、リボンワイヤを採用してもよい。
【0026】
ここで、電極17aの詳細な構成について説明する。図3は、電極17aの一部を示す概略斜視図である。図4は、接合部28aを板厚方向に見た概略平面図である。図4は、回路パターン14が配置される側から見た図である。
【0027】
図1〜図4を参照して、電極17aの接合部28aは、回路パターン14と接合されている接合面31aを有する。接合面31aが、回路パターン14、具体的には回路パターン14の第1回路板14aに接合されている。接合面31aは、第1領域32aと、第2領域33aとに分割されている。第1領域32aと第2領域33aとは、Y方向に間隔をあけて配置されている。第1領域32aと第2領域33aとは、電極17aを貫通する孔34aによって分割されている。孔34aは、電極17aを図3中のZ方向で示す電極17aの板厚方向に貫通している。孔34aにより、接合部28aは、第1領域32aが配置される部分である第1部分35aと第2領域33aが配置される部分である第2部分36aとに分けられている。第1部分35aは、第1領域32aを有する。第2部分36aは、第2領域33aを有する。第1領域32aおよび第2領域33aは、接合面31aを構成する。第1部分35aおよび第2部分36aはそれぞれ、本体部29aと繋がっている。第1領域32aおよび第2領域33aはそれぞれ、Z方向で示す電極17aの板厚方向に見た平面視において、長方形の形状を有する(特に図4参照)。第1領域32aの面積に対する第2領域33aの面積の比率は、1以上7/3以下である。
【0028】
第1部分35aは、Y方向において第2部分36aに対向する側壁面41aを含む。第2部分36aは、Y方向において第1部分35aに対向する側壁面42aを含む。側壁面41a,42aはそれぞれ、X−Z平面に平行である。側壁面41a,42aはそれぞれ、接合部28aのX方向の端面37aから本体部29aに至るまでX方向に延びている。側壁面41a,42aはそれぞれ、接合面31aの外縁、本実施形態においては、図4に示す端面37aによって表れる外縁および図4の破線によって示される本体部29aと接続される側の外縁上の二点に到達している。
【0029】
次に、実施の形態1における半導体装置11の製造方法について、簡単に説明する。まず、放熱板12を準備する。そして、放熱板12の上に回路パターン14を有する基板13を配置し、回路パターン14の所定の箇所の上に半導体チップ15a,15bを配置する。この時、回路パターン14と半導体チップ15a,15bとの間および基板13と放熱板12との間にフィルム状のはんだを配置する。その後、はんだを溶融させて、基板13と放熱板12とを接合すると共に、回路パターン14と半導体チップ15a,15bとを接合する(リフローはんだ付け)。その後、ワイヤ18a〜18fによって回路パターン14と半導体チップ15a,15b等とを接続し、回路パターン14と上記した形状の電極17a〜17cとを超音波ツールを用いて接合する。次に、枠体が放熱板12上に取り付けた後、充填剤(図示せず)を枠体によって取り囲まれた領域に充填する。その後、枠体の開口を覆うように蓋部(図示せず)を枠体に取り付ける。このようにして半導体装置11を製造する。
【0030】
上記半導体装置11は、第1領域32aと第2領域33aとに分割された接合面31aを有する電極17aを備える。よって、接合面31aの縁から接合面の中央、ここでは第1領域32aの中央および第2領域33aの中央までの距離が近くなり、電極17aと回路パターン14とを超音波ツールを用いて接合する際に、接合面31aにおいて超音波によって回路パターン14に付与される振動のエネルギーが過大になることを抑制することができる。したがって、電極17aと回路パターン14との接合時において、回路パターン14の変形や回路パターン14の絶縁板21からの剥離が生じるおそれを低減することができる。その結果、上記半導体装置11は、信頼性の高い半導体装置となっている。なお、回路パターン14の変形が生じるおそれを低減することができるため、上記した回路板14a〜14e同士の間隔を狭くすることができ、半導体装置の小型化を図ることができる。
(【0031】以降は省略されています)

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