本発明は、半導体装置、特には電力半導体装置に関する。

電力半導体装置は、例えばＩＧＢＴや高耐圧ダイオードなどの電力半導体素子を接合や接着により基板へ搭載し、これを樹脂ケース内に収容してパッケージ化したものである。 このような電力半導体装置は、電力半導体素子を有する絶縁基板と、この絶縁基板を接合するヒートスプレッダとを備える。 ここで絶縁基板は、絶縁部材に形成した導体に電力半導体素子が接合されて構成される。 また、電力半導体素子の導体への接合、及び絶縁基板のヒートスプレッダへの接合は、一般的に、鉛フリーはんだを用いたリフローはんだ付けが用いられる。

鉛フリーはんだである、非共晶系はんだは、共晶はんだに比べて、液体から固体に変化する際の体積収縮率が大きいという特徴がある。 その結果、リフローはんだ付けにおける製品冷却時には、接合部の鉛フリーはんだに「引け巣」と呼ばれる空隙が発生しやすい。 この空隙は平面的にも広がる。

よって、このような引け巣の発生を低減するため、例えば、はんだ合金の組成を改善する方法が提案されている（例えば特許文献１）。

しかしながら、はんだ合金の組成を改善した場合であっても、引け巣の発生を完全に無くすことはできない。 また、引け巣に相当する空隙が電力半導体素子の直下に発生した場合には、伝熱材料が欠如した状態となり電力半導体素子からの放熱が妨げられ、電力半導体装置の放熱特性は著しく低下する。 そのため、引け巣を生じた電力半導体装置は、その手直しが必要であり、あるいは廃棄となってしまう。 よって、引け巣の発生は、放熱性の低下のみならず電力半導体装置の生産性を低下させるという問題がある。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、従来に比べて、引け巣の発生を低下させることができ、良好な放熱特性及び生産性を有する半導体装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の一態様における半導体装置は、板状の絶縁部材において対向する第１主面及び第２主面に導体パターンを有し第１主面の導体パターンに半導体素子を接合した基板と、対向する第３主面及び第４主面を有するヒートスプレッダとを備え、上記基板の第２主面と上記ヒートスプレッダの第３主面とを対向させてはんだで接合して形成される半導体装置において、上記はんだの接合部の外周に沿って交互に配置される、はんだの濡れ部と不濡れ部とをさらに備えたことを特徴とする。

本発明の一態様における半導体装置によれば、基板とヒートスプレッダとを接合しているはんだの接合部外周に沿って、はんだの濡れ部と不濡れ部とを交互に備えたことから、はんだの表面張力を制御することができる。 よって、従来に比べて、半導体素子の直下においてはんだの引け巣の発生を抑制することが可能となり、良好な放熱特性及び生産性を達成することができる。

本発明の実施の形態１における電力半導体装置の断面図である。

図１に示す電力半導体装置に備わる基板とヒートスプレッダとのはんだ接合部における平面図である。

図２に示すＢ−Ｂ'部の断面図である。

図１に示す電力半導体装置においてリフローはんだ付け動作の冷却中における状態を示す断面図である。

図１に示す電力半導体装置に備わる基板とヒートスプレッダとのはんだ接合部の平面図であって、リフローはんだ付け動作の冷却中における状態を示す平面図である。

図５に示すＤ−Ｄ'部の断断面である。

図１に示す電力半導体装置に備わるソルダレジストの配置を説明するための図である。

本発明の実施の形態２における電力半導体装置の断面図である。

本発明の実施の形態３における電力半導体装置の断面図であり、凸状に湾曲したヒートスプレッダをヒータで加熱する状態を示す図である。

図９に示す電力半導体装置に備わる基板とヒートスプレッダとのはんだ接合部における平面図であり、ヒートスプレッダが長方形であることを示す図である。

従来の電力半導体装置における断面図である。

従来の電力半導体装置において基板とヒートスプレッダとのはんだ接合部の平面図である。

本発明の実施形態である電力半導体装置について、図を参照しながら以下に説明する。 尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。 また、以下の各実施の形態では、特に顕著な効果が得られることから、半導体素子は、例えばＩＧＢＴや高耐圧ダイオードなどの電力半導体素子を例に採る。 しかしながら、以下の各実施の形態にて採用している、ソルダレジストによる引け巣発生抑制構造は、電力半導体素子以外の半導体素子を備えた半導体装置においても適用可能である。

実施の形態１．
図１から図７を参照して、本実施の形態１における電力半導体装置１０１について説明する。
電力半導体装置１０１は、電力半導体素子１を有する絶縁基板４と、この絶縁基板４を接合するヒートスプレッダ５とを備える。 このような本実施の形態における電力半導体装置１０１は、リフローはんだ付け動作によって、絶縁基板４と電力半導体素子１との間に設けたはんだ６、及び絶縁基板４とヒートスプレッダ５との間に設けたはんだ６によって、絶縁基板４と電力半導体素子１とが、絶縁基板４とヒートスプレッダ５とがそれぞれ接合され、電力半導体装置１０１が形成される。 以下にさらに詳しく説明する。

絶縁基板４では、板状の絶縁部材３において互いに対向する第１主面３ａ及び第２主面３ｂにそれぞれ導体２が形成され、第１主面３ａにおける導体２のパターンには電力半導体素子１がはんだ６で接合される。 尚、導体２へ電力半導体素子１を接合するにあたり、導体２の必要箇所にはソルダレジスト８が塗布されている。
このような絶縁基板４の一実施例として、絶縁部材３は、厚さ０．６３５ｍｍ、面積５４ｍｍ×５４ｍｍの窒化アルミニウムにてなり、その第１主面３ａ及び第２主面３ｂには、導体２として０．２５ｍｍ厚のＣｕパターンが貼り付けられている。

ヒートスプレッダ５は、熱伝導性に優れた材料、例えば金属からなる板材で形成され、互いに対向する第３主面５ａと第４主面５ｂとを有する。 ヒートスプレッダ５の一実施例としては、厚さ３ｍｍ、面積６２ｍｍ×６２ｍｍの放熱性に優れるＣｕの板材にて形成される。

ヒートスプレッダ５において、絶縁基板４の第２主面３ｂに対向して配置されるヒートスプレッダ５の第３主面５ａには、本実施形態の電力半導体素子１０１における特徴的構成として、はんだ６の不濡れ部１１１を形成するソルダレジスト１１０が塗布される。 ソルダレジスト１１０は、例えば図２に示すように、ヒートスプレッダ５の第３主面５ａの周縁部に塗布されるソルダレジスト８よりも内側で、かつ、絶縁基板４の第２主面３ｂに形成されている導体２のパターンの外周よりも僅かに内側の位置に、図２に示すように所定の間隔で配列される。
このようなソルダレジスト１１０は、一実施例として、直径０．６ｍｍの円形レジストを１．２ｍｍ間隔で配置している。

リフローはんだ付けによる絶縁基板４とヒートスプレッダ５とのはんだ接合では、互いに対向する絶縁基板４の第２主面３ｂにおける導体２と、ヒートスプレッダ５の第３主面５ａとの間に、図１に示すように、はんだ６が存在するが、上述のようにソルダレジスト８よりも内側で、かつ導体２のパターンの外周より僅かに内側の場所にソルダレジスト１１０を配列することで、ソルダレジスト１１０は、はんだ６の溶融状態では、はんだ６の接合部６１の外周６ａに沿って位置することになる。

また、リフローはんだ付けの加熱中、はんだ６は、ソルダレジスト１１０に濡れることがなく接合することがないので、ソルダレジスト１１０は、外周６ａに沿って、はんだの不濡れ部１１１を形成する。 一方、ヒートスプレッダ５の第３主面５ａにおいてソルダレジスト１１０が存在しない部分は、はんだ６が濡れることから濡れ部１１２を形成する。 よって、加熱中において、外周６ａに沿って、はんだ６の不濡れ部１１１と濡れ部１１２とが交互に形成されることになる。 このように、ソルダレジスト１１０によってはんだ６の不濡れ部１１１を形成することで、以下で詳しく説明するように、はんだ６の引け巣の発生を抑制することが可能となる。 よって、ソルダレジスト１１０を配列することで、はんだ６の接合部６１の外周６ａに沿って、はんだ６の不濡れ部１１１と濡れ部１１２とを交互に形成する構造は、引け巣発生抑制構造と呼ぶこともできる。

以下には、ソルダレジスト１１０を上述のように配列した理由について説明する。
リフローはんだ付け動作において、電力半導体装置１０１の全体が加熱されはんだ６が溶融した状態では、絶縁基板４の第２主面３ｂにおける導体２と、ヒートスプレッダ５の第３主面５ａとの間のはんだ６は、図１から図３に示すように、ソルダレジスト１１０部分に不濡れ部１１１を形成しつつも、はんだ６のフィレット６ｂがソルダレジスト１１０よりも外側に位置する。 尚、図１は、図２に示すＡ−Ａ'部における断面を示し、図３は、図２に示すＢ−Ｂ'部における断面を示している。

次の、リフローはんだ付け動作における加熱後の冷却中では、上述のように、ヒートスプレッダ５の第３主面５ａにソルダレジスト１１０をソルダレジスト８よりも内側で、かつ導体２のパターンの外周より僅かに内側の場所に配列したことで、はんだ６の最表面となる不濡れ部１１１及びフィレット６ｂから、はんだ６は体積収縮していく。 その結果、図４から図６に示すように、はんだ６の表面張力によってはんだ６の表面積が最小となるように不濡れ部１１１とフィレット６ｂとは一体化し、新たなフィレット１１３が形成される。 尚、図４から図６では、図５内で右側に配列されたソルダレジスト１１０部分のみについて新たなフィレット１１３が形成される様子を図示しているが、これは単に図示を省略したものであり、勿論、他の左側、上、下側の各ソルダレジスト１１０の配列部分にも新たなフィレット１１３は形成される。 また、図４は、図５に示すＣ−Ｃ'部における断面を示し、図６は、図５に示すＤ−Ｄ'部における断面を示している。

このように、ソルダレジスト１１０の上述した配列によれば、それぞれの不濡れ部１１１と、フィレット６ｂとが一体化して新たなフィレット１１３が形成され、電力半導体素子１の放熱に影響の少ない基板４の外周縁部に引け巣を生じさせることが可能となる。 よって、上述したようなソルダレジスト１１０の配列によれば、図１１及び図１２に示すような、電力半導体素子１の直下にまで至る引け巣の発生を抑制することができ、その結果、電力半導体素子１の放熱を妨げることを防止することができる。

このように、本実施形態の電力半導体装置１０１は、ソルダレジスト１１０によってはんだ６の不濡れ部１１１を適切に配置して、はんだ６の表面張力を制御することにより、半導体素子１の直下に至るような、はんだ６の引け巣の発生を抑制することができる（これを、以下で「引け巣抑制効果」と記す場合もある）。 また、このように引け巣発生を抑制可能なことから、従来に比べて、製品である電力半導体装置１０１の手直しや廃棄が低減され、生産性を向上させることができる。

また、本実施形態１では、ソルダレジスト１１０は、印刷やスプレーコートにより、ヒートスプレッダ５の外周縁部に形成するソルダレジスト８と一括して配置することができることから、製造工数を増加することなく、「引け巣抑制効果」が得られるという更なる効果を得ることができる。
このように、本実施形態の電力半導体装置１０１は、従来に比べて、良好な放熱特性を有し、かつ生産性の良い半導体装置である。

次に、上述した円形ソルダレジスト１１０の配置に関して、図７を参照して説明する。
ここで、円形ソルダレジスト１１０の直径をＤ、ヒートスプレッダ５の第３主面５ａにおける外周縁部に位置するソルダレジスト８の内端８ａと、ソルダレジスト１１０の外周との距離をＬ、及び、ソルダレジスト１１０の中心間ピッチをＰとする。

はんだ６のフィレット６ｂの表面積と、フィレット６ｂの近傍に配置されるソルダレジスト１１０で発生するはんだ不濡れ部１１１の表面積とが同程度であると、はんだ６の体積収縮を効果的に分散させることが可能となる。

例えば、ソルダレジスト１１０の直径Ｄが大きすぎると、不濡れ部１１１が大きくなりすぎてしまい、半導体素子１の放熱が妨げられてしまう。 一方、直径Ｄが小さすぎると、ソルダレジスト１１０を設けていない従来構造に近くなり、引け巣抑制効果が薄れてしまう。 また、上記距離Ｌが大きすぎると、不濡れ部１１１が基板４の中心部に近く形成されることになるため、不濡れ部１１１自体が半導体素子１の放熱を妨げてしまうことになる。 一方、距離Ｌが小さすぎると、ソルダレジスト１１０を設けていない従来構造に近くなり、引け巣抑制効果が薄れてしまう。 さらにまた、上記ピッチＰが大きすぎると、図６に示すような、隣接する円形ソルダレジスト１１０間に生じる不濡れ部１１１同士が一体化することが起こらず、引け巣は、従来構造のような基板４の中心に向かう形状となり、半導体素子１の放熱が妨げられてしまう。 一方、ピッチＰが小さすぎると、直径Ｄが大きすぎると場合と同様に、不濡れ部１１１が大きくなりすぎてしまい、半導体素子１の放熱が妨げられてしまう。

これらを考慮すると、ソルダレジスト１１０の総面積は、はんだ面積に対して、面積比で０％〜４％程度の範囲に設定することが好ましい。 つまり、はんだの１辺の長さに対して、直径Ｄをその０％〜２％程度の範囲に、距離Ｌをその０％〜１％程度の範囲に、ピッチＰをその０％〜５％程度の範囲に設定するのが好ましい。

尚、一実施例として、基板４とヒートスプレッダ５との間のはんだ６が、例えば、はんだ厚み０．３ｍｍ、はんだ面積５０ｍｍ×４４ｍｍに対して、ソルダレジスト１１０の直径Ｄ＝０．６ｍｍ、距離Ｌ＝０．３ｍｍ、ピッチＰ＝１．２ｍｍとするのが望ましい。

また、ヒートスプレッダ５にソルダレジスト１１０を配置することで、通常、はんだ付け領域外に設けられる基板アライメント用のアライメントマークとして利用することができるという効果もある。
また、本実施形態では、円形のソルダレジスト１１０を例に説明したが、不濡れ部１１１と濡れ部１１２とが交互に配置されていればよいことから、円形に限定されず、多角形等、その形状は問わない。

また、ソルダレジスト１１０の形成方法は、印刷やスプレーコートに限定するものではない。 例えば、ヒートスプレッダ５へのレーザー照射によって、はんだ６が濡れない酸化膜を成長させて、不濡れ部１１１を形成してもよい。 例えば、ヒートスプレッダ５としてＣｕを用いる場合、はんだが濡れない酸化膜としては、Ｃｕ _２ Ｏ及びＣｕＯが使用可能である。 また、ヒートスプレッダ５にＡｌを用いる場合には、はんだの濡れ部１１２には、ニッケルめっき等の、はんだに濡れる表面処理を施しておき、はんだの不濡れ部１１１には、Ａｌそのものか、酸化膜としてＡｌ _２ Ｏ _３等を形成しておく方法がある。 また、Ａｌ等のはんだに濡れにくい金属をメッキして、不濡れ部１１１を形成してもよい。

また、はんだ６としては、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、及びＳｎ−Ｓｂ系のいずれかを主成分とする非共晶系のはんだを用いることができる。 Ｓｎ−Ｐｂ系はんだを用いてもよい。
ここで、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだ、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ、Ｓｎ−Ｉｎ系はんだ、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだなどの非共晶系はんだを用いた電力半導体装置では、既に上述したようにＳｎ−Ｐｂ系はんだなどの共晶系はんだを用いた電力半導体装置に比べて、はんだの体積収縮率が大きいことから、上述した実施の形態で説明したソルダレジスト１１０による「引け巣抑制効果」を顕著に得ることができるという効果がある。

また、エポキシ樹脂を主成分とするソルダレジスト１１０により不濡れ部１１１を配置する方法は、上述した、レーザー照射で酸化膜を成長させ、不濡れ部１１１を形成する方法や、Ａｌ等のはんだに濡れにくい金属をメッキして、不濡れ部１１１を形成させる方法に比べて、工法が容易で安価であるという効果がある。

実施の形態２．
図８を参照して、本発明の実施の形態２における電力半導体装置１０２について説明する。
上述の電力半導体装置１０１では、ヒートスプレッダ５の第３主面５ａにソルダレジスト１１０を形成する形態を示したが、本実施の形態２の電力半導体装置１０２では、ソルダレジスト１１０を、基板４の第２主面３ｂにおける導体２に形成する。 この点でのみ、電力半導体装置１０２は、電力半導体装置１０１と相違する。 電力半導体装置１０２におけるその他の構成は、電力半導体装置１０１の構成に同じであることから、以下では、この相違点のみについて説明する。

電力半導体装置１０２では、基板４の第２主面３ｂに形成された導体２のパターンの周縁部において、半導体素子１の直下よりも外側の領域に、ソルダレジスト１１０を形成する。 その形成方法及び配置位置については、実施の形態１における電力半導体装置１０１にて説明した構成を適用する。

このような電力半導体装置１０２によっても、実施の形態１と同様に、引け巣抑制効果を得ることができる。
また、基板４の第２主面３ｂに形成された導体２に円形ソルダレジスト１１０を配置する方法は、導体２のパターンをエッチングする方法に比べて、安価で設計自由度が高いまま、引け巣抑制効果が得られるという効果がある。

また、基板４の第２主面３ｂに形成された導体２に円形ソルダレジスト１１０を配置する方法は、基板４の導体２のパターン及びソルダレジスト１１０のパターンを変更した場合でも、共通のヒートスプレッダ５を利用することができ、部品を共通化できるという効果がある。

実施の形態３．
次に、図９及び図１０を参照して、本発明の実施の形態３における電力半導体装置１０３について説明を行う。
本実施の形態３における電力半導体装置１０３は、上述した実施形態１の電力半導体装置１０１に備わるヒートスプレッダ５に代えて、ヒートスプレッダ１２５を備えた点で相違する。 電力半導体装置１０３におけるその他の構成は、電力半導体装置１０１の構成に同じであり、以下では、この相違点についてのみ説明を行う。

ヒートスプレッダ１２５は、電力半導体装置１０３の厚み方向１０３ａにおいて、基板４とは反対側に凸となる湾曲した形状を有する。 ここで、ヒートスプレッダ１２５の第４主面１２５ｂは、上述したヒートスプレッダ５の第４主面５ｂに対応する面であり、ヒートスプレッダ１２５の第３主面１２５ａに対向する面である。 また、第３主面１２５ａは、ヒートスプレッダ５の第３主面５ａに対応する面である。
よって、ヒートスプレッダ１２５の第３主面１２５ａには、実施の形態１で説明した構成にて、ソルダレジスト１１０が形成される。

また、電力半導体装置１０３は、図１０に示すように長方形状であり、ヒートスプレッダ１２５も同様に長方形状を有する。 長方形状のヒートスプレッダ１２５において、長辺側が曲率を有しており、短辺側は曲率を有していない。 つまり図９において、紙面に平行な方向が長辺側であり、紙面に垂直な方向が短辺側に相当する。

このように構成される本実施形態３における電力半導体装置１０３も、ヒートスプレッダ１２５にソルダレジスト１１０を形成していることから、上述の「引け巣抑制効果」を奏することができる。 この点について以下に詳しく説明する。

ここでは、上述のように、ヒートスプレッダ１２５が長方形状であり、かつ凸状に湾曲した第４主面１２５ｂを有する本実施形態３における電力半導体装置１０３が、図９に示すように、ヒートスプレッダ１２５の第４主面１２５ｂからプレート１３０で加熱及び冷却され、リフローはんだ付けされる場合について説明する。 尚、プレート１３０は、平坦な表面を有することから、図９に示すように、ヒートスプレッダ１２５の短辺側、つまりソルダレジスト１１０の形成領域に対応する、第４主面１２５ｂの部分は、プレート１３０の表面に接触せず、該表面から浮き上がった状態となる。

はんだ６の体積収縮、つまり引け巣の発生は、はんだの最終凝固点において、顕著に現れる。 電力半導体装置１０３では、上述の形態に起因した温度分布から、図１０に示すはんだ接合部６１の短辺部分が最終凝固点となる。 よって、電力半導体装置１０３では、ソルダレジスト１１０は、図１０に示すように、ヒートスプレッダ１２５の少なくとも短辺の２辺にのみ配置すればよい。

このように電力半導体装置１０３では、ヒートスプレッダ１２５が長方形状にする、あるいはヒートスプレッダ１２５の第４主面１２５ｂを凸状に湾曲させることによって、基板４とヒートスプレッダ１２５とのはんだ接合部６１の短辺側にソルダレジスト１１０を配置する。 よって、はんだ接合部６１の周囲４辺にソルダレジスト１１０を配列する場合に比べて、半導体素子１の実装面積を削減することなく、引け巣抑制効果が得られるという効果がある。

また、一般的に、はんだ付け後では、ヒートスプレッダの反りは、表面側つまり半導体装置において半導体素子の実装側に凸になるように変化することから、本実施形態３のように、予めヒートスプレッダ１２５の裏面側つまり第４主面１２５ｂ側に凸になる反りを与えておくことで、はんだ付け後、平坦度の良い電力半導体装置を得ることができるという効果もある。

尚、本実施形態では上述のように、ヒートスプレッダ１２５が長方形状で、ヒートスプレッダ１２５の第４主面１２５ｂを凸状に湾曲させ、第４主面１２５ｂ側からプレート１３０でヒータ加熱して、リフローはんだ付けを行う場合について説明した。 しかしながら、ヒートスプレッダの形状と加熱方式によって、はんだの最終凝固点は任意に配置することができるため、ヒートスプレッダの形状及びソルダレジストの配置は、本実施形態３のものに限定されない。

また、加熱方式について、本実施形態３におけるプレート１３０によるヒータ加熱に限定されず、例えば熱風加熱炉等を用いることもできる。
さらにまた、上記最終凝固点を任意に配置するためには、熱風による局所加熱や冷風による局所冷却を用いることもできる。

尚、上述した各実施形態を適宜組み合わせた構成を採ることも可能である。 この構成では、組み合わされた実施形態が奏する各効果を得ることができる。

１ 半導体素子、２ 導体、３ 絶縁部材、３ａ 第１主面、３ｂ 第２主面、
４ 基板、５ ヒートスプレッダ、５ａ 第３主面、５ｂ 第４主面、６ はんだ、
１０１〜１０３ 電力半導体装置、１１０ ソルダレジスト、
１１１ 不濡れ部、１１２ 濡れ部、１２５ ヒートスプレッダ。