JP2005285885A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置の構造に係り、とくにTCTやTFTなどの繰り返し試験に対する信頼性と、半導体チップからヒートシンクにかけての低熱抵抗を有するパワー半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a structure of a semiconductor device, and more particularly to a power semiconductor device having reliability for repeated tests such as TCT and TFT and low thermal resistance from a semiconductor chip to a heat sink.
従来、IGBTモジュールなどパワー半導体装置の絶縁回路部デザインは、セラミックス基板の一方の面(第1の主面)に回路パターン銅板(以下、表Cuという)と他方の面(第2の主面)に放熱用銅板(以下、裏Cuという)とが接合されたDBC(Direct Bonding Cu )基板等が用いられ、この表Cu上に半導体チップを高温はんだによってはんだ付けした後、裏CuとCuヒートシンク(Cuベース)とを63Sn−Pb共晶はんだによりリフローはんだ付けした構造となっている。 Conventionally, an insulating circuit portion design of a power semiconductor device such as an IGBT module has a circuit pattern copper plate (hereinafter referred to as a table Cu) on one surface (first main surface) of a ceramic substrate and the other surface (second main surface). A DBC (Direct Bonding Cu) substrate or the like bonded to a heat dissipation copper plate (hereinafter referred to as back Cu) is used. After soldering a semiconductor chip on this front Cu with high-temperature solder, the back Cu and Cu heat sink ( Cu base) is reflow soldered with 63Sn—Pb eutectic solder.
図5は、従来のIGBTモジュールの断面図である。IGBTが作り込まれたシリコンチップ101は、セラミックス基板103の第1の主面に形成された表Cu104上にマウントはんだ107によって接合されている。そして、セラミックス基板103は、第2の主面に裏Cu105が形成されている。セラミックス基板103は、この裏Cu105を介してリフローはんだ108によってCuヒートシンク102に接合されている。シリコンチップ101と表Cu104とは、Alなどからなるボンディングワイヤ106によって電気的に接続されている。
FIG. 5 is a cross-sectional view of a conventional IGBT module. The
この裏Cuが存在することにより、接合プロセスが多くなること及び裏Cu自体の熱抵抗のためパッケージとしての熱抵抗の低減が阻害されていた。さらに裏CuとCuヒートシンクとのはんだ接合強度よりセラミックス基板と裏Cuとの接合強度の方が大きいために、TCTによる応力によってはんだクラックが発生し脆化し易く、とくにEV用など車載関係に使用されるパッケージでは耐脆化性の向上が求められていた。IGBTモジュールの従来技術は、例えば、特許文献1に記載されている。
The presence of the back Cu hinders the reduction of the thermal resistance as a package due to the increased bonding process and the thermal resistance of the back Cu itself. Furthermore, since the bonding strength between the ceramic substrate and the back Cu is greater than the solder bonding strength between the back Cu and Cu heat sink, solder cracks are likely to occur due to the stress caused by TCT, and are especially used for automotive applications such as for EVs. In such packages, improvement in brittleness resistance has been demanded. The prior art of the IGBT module is described in
この裏Cuが存在することにより、接合プロセスが多くなること及び裏Cu自体の熱抵抗のためパッケージとしての熱抵抗の低減が阻害されていた。さらに裏CuとCuヒートシンクとのはんだ接合強度よりセラミックス基板と裏Cuとの接合強度の方が大きいために、TCTによる応力によってはんだクラックが発生し脆化し易く、とくにEV用など車載関係に使用されるパッケージでは耐脆化性の向上が求められていた。 The presence of the back Cu hinders the reduction of the thermal resistance as a package due to the increased bonding process and the thermal resistance of the back Cu itself. Furthermore, since the bonding strength between the ceramic substrate and the back Cu is greater than the solder bonding strength between the back Cu and Cu heat sink, solder cracks are likely to occur due to the stress caused by TCT, and are especially used for automotive applications such as for EVs. In such packages, improvement in brittleness resistance has been demanded.
もし仮に裏Cuをなくして直接ヒートシンクをセラミックス基板に接合したとすると、線膨張係数差により非常に大きな反りが発生し、セラミックス基板に強度の小さい窒化アルミニウム(AlN)基板を使用した場合では接合後に基板が割れたり、あるいは強度の大きい窒化ケイ素(SiN)基板等を使用した場合でも接合後には割れなくてもTCTの比較的低サイクルで割れることが判明しているのでこの様な構造のものは実用化されていなかった。
本発明は、このような事情によりなされたものであり、セラミックス基板に金属板を接合した絶縁回路基板を搭載するIGBTモジュールなどの半導体装置において、熱サイクル試験などの繰り返し試験の信頼性に優れ、同時にチップからヒートシンクにかけての熱抵抗の低減された半導体装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made under such circumstances, and in a semiconductor device such as an IGBT module mounted with an insulating circuit board in which a metal plate is bonded to a ceramic substrate, it is excellent in reliability of repeated tests such as a thermal cycle test, At the same time, an object of the present invention is to provide a semiconductor device with reduced thermal resistance from the chip to the heat sink.
上記目的を達成するために、本発明の半導体装置の一態様は、半導体チップと、前記半導体チップが第1の主面上に搭載されたセラミックス基板と、前記半導体チップが接合されている前記第1の主面に形成された回路パターンと、前記セラミックス基板の第1の主面とは反対側の第2の主面に直接接しているヒートシンクとを備えていることを特徴としている。
また、本発明の半導体装置は、半導体チップと、前記半導体チップが第1の主面上に搭載されたセラミックス基板と、前記半導体チップが接合された第1の主面に形成された回路パターンと、前記セラミックス基板の第1の主面とは反対側の第2の主面に接着剤を介して接しているヒートシンクとを備えていることを特徴としている。
In order to achieve the above object, according to one aspect of the semiconductor device of the present invention, a semiconductor chip, a ceramic substrate on which the semiconductor chip is mounted on a first main surface, and the semiconductor chip are joined. 1 is provided with a circuit pattern formed on one main surface and a heat sink directly in contact with a second main surface opposite to the first main surface of the ceramic substrate.
The semiconductor device of the present invention includes a semiconductor chip, a ceramic substrate on which the semiconductor chip is mounted on a first main surface, and a circuit pattern formed on the first main surface to which the semiconductor chip is bonded. And a heat sink that is in contact with the second main surface opposite to the first main surface of the ceramic substrate via an adhesive.
本発明によれば、主としてヒートシンクとセラミックス間に従来から存在していた放熱用金属をなくすことによって、熱抵抗の低減が達成される。また、セラミックス基板とCu等のヒートシンク金属とを樹脂を含むはんだ合金で接合する場合は、従来より問題となっていたセラミックスと金属との線膨張係数差に起因する接合後の基板反りを低減でき、その結果、チップ、基板に発生する応力低減が図られ、熱サイクル試験によるそれら部材そのものの破壊(クラック発生)及び基板とヒートシンク間接合界面の脆化クラックの発生を抑制し高信頼性の半導体装置が得らる。さらに、本発明では、ヒートシンクとセラミックス間に従来から存在していた放熱用金属をなくすことができるので構造のシンプル化が達成される。 According to the present invention, a reduction in thermal resistance is achieved mainly by eliminating the heat dissipating metal that has conventionally existed between the heat sink and the ceramic. In addition, when bonding a ceramic substrate and a heat sink metal such as Cu with a solder alloy containing a resin, it is possible to reduce the warpage of the substrate after bonding due to a difference in linear expansion coefficient between the ceramic and the metal, which has been a problem in the past. As a result, the stress generated in the chip and the substrate is reduced, and the highly reliable semiconductor suppresses the destruction (crack generation) of those members themselves and the occurrence of the embrittlement crack at the interface between the substrate and the heat sink by the thermal cycle test. The device is obtained. Furthermore, in the present invention, the heat dissipating metal that has conventionally existed between the heat sink and the ceramic can be eliminated, so that the structure can be simplified.
セラミックス基板に金属板を接合した絶縁回路基板を搭載するIGBTモジュールなど大電力を使用する半導体装置においては、TCTやTFTなどの繰り返し試験(熱サイクル試験)の信頼性に優れることが求められていると同時に、チップ特性安定性や熱破壊信頼性の点でチップからヒートシンクにかけての熱抵抗の低減の要求が強く、本発明は、その両特性を両立させるべくなされたものであり、絶縁層たるセラミックス基板とヒートシンクとを直接あるいは接着剤を介して接合されていることを特徴とするものある。以下、実施例を参照して発明の実施の形態を説明する。 Semiconductor devices that use high power, such as IGBT modules that mount an insulating circuit board with a metal plate bonded to a ceramic substrate, are required to have excellent reliability in repeated tests (thermal cycle tests) such as TCT and TFT. At the same time, there is a strong demand for reduction in thermal resistance from the chip to the heat sink in terms of stability of chip characteristics and reliability of thermal destruction, and the present invention has been made in order to achieve both of these characteristics. The substrate and the heat sink are joined directly or via an adhesive. Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to examples.
まず、図1及び図6、図7を参照して実施例1を説明する。
図1は、本発明のパワー半導体装置(パワーモジュール)の概略断面図、図6は、各実施例及び比較例のパワー半導体装置の特性を示す図、図7は、図1の半導体装置に用いられ、シリコンチップが搭載された回路パターン銅板が形成されているセラミックス基板の斜視図である。本発明のIGBTモジュールなどパワー半導体装置の絶縁回路部は、例えば、DBC基板等が用いられ、セラミックス基板の一方の面(第1の主面)に回路パターン銅板が接合されているが、他方の面(第2の主面)には従来とは異なり放熱用銅板が接合されていない。この回路パターン銅板上に半導体チップを高温はんだによってはんだ付けした後、セラミックス基板をCuヒートシンク(Cuベースともいう)上に載置した構造となっている。
First,
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a power semiconductor device (power module) of the present invention, FIG. 6 is a diagram showing characteristics of power semiconductor devices of each example and comparative example, and FIG. 7 is used for the semiconductor device of FIG. FIG. 2 is a perspective view of a ceramic substrate on which a circuit pattern copper plate on which a silicon chip is mounted is formed. For example, a DBC substrate or the like is used for the insulating circuit portion of the power semiconductor device such as the IGBT module of the present invention, and the circuit pattern copper plate is bonded to one surface (first main surface) of the ceramic substrate. Unlike the conventional case, a heat radiating copper plate is not joined to the surface (second main surface). After the semiconductor chip is soldered on the circuit pattern copper plate with high-temperature solder, the ceramic substrate is placed on a Cu heat sink (also referred to as Cu base).
図1は、IGBTモジュールの断面図である。IGBTが作り込まれたシリコンチップ1は、セラミックス基板3の第1の主面に形成された回路パターン銅板4上にマウントはんだ7によって接合されている(図7参照)。窒化ケイ素からなるセラミックス基板3は、従来のものとは異なり、第2の主面に放熱用銅板が形成されていない。セラミックス基板3は、Cuヒートシンク2上に載置されている。また、シリコンチップ1と回路パターン銅板4とは、Alなどからなるボンディングワイヤ6によって電気的に接続されている。マウントはんだ7には、例えば、63Sn−Pb系の材料を用いる。本発明において使用されるはんだ合金は、従来から知られている63Sn−Pb系の他に加え、Sn−Cu系等のPbフリーはんだ合金などを用いても同様の効果が得られる。
FIG. 1 is a cross-sectional view of an IGBT module. The
シリコンチップ1がマウントされたセラミックス基板3とCuヒートシンク2とは直接接触して置かれている。そして、この接触状態は、シリコンチップ1、ヒートシンク2、セラミックス基板3、回路パターン銅板4等を封止するエポキシ樹脂などの材料を用いた樹脂封止体10を用いて固定される。勿論ヒートシンク2の一面は、樹脂封止体10から露出している。樹脂封止体10は、例えば、トランスファーモールド等の方法を用いる。また、セラミックス基板3と回路パターン銅板4とは活性金属法で接合される。活性金属法は、金属と絶縁物との接合方法として知られている。この方法は、まず、セラミックス基板3の上に厚さ30μm程度の鑞剤層30を形成する。この鑞剤は、例えば、72Ag−28Cuからなる基材にその2〜5重量%程度の活性金属であるTiなどを含有させて構成されている。鑞剤層上に回路パターン銅板4を載せて800〜850℃程度で加熱すると、鑞剤のTiがセラミックス基板3に拡散し、酸化して鑞剤層がセラミックス基板3に強固に接合してセラミックス基板3と回路パターン銅板4とを接合する。
The
この半導体装置の熱抵抗評価は、製品使用状態での熱抵抗評価として通常行われているΔmV法により、各組合せを比較した(N=3平均)。
モジュール強度信頼性評価として、TCT(1サイクル:−40℃×60分→RT.(室温)×5分→125℃×60分→RT.×5分)300サイクル後のセラミックス基板でのクラック有無を確認した。また、TCT前及びTCT300サイクル後のサンプルについて、超音波探傷装置(SAT)にてヒートシンク/セラミックス基板間の樹脂ボイド面積率を測定し、その増加量を脆化量として評価した。結果を図6に示す。
For the thermal resistance evaluation of this semiconductor device, the combinations were compared by the ΔmV method that is usually performed as thermal resistance evaluation in the product use state (N = 3 average).
As a module strength reliability evaluation, cracks on the ceramic substrate after 300 cycles of TCT (1 cycle: −40 ° C. × 60 minutes → RT. (Room temperature) × 5 minutes → 125 ° C. × 60 minutes → RT. × 5 minutes) It was confirmed. Moreover, the resin void area ratio between a heat sink / ceramics board | substrate was measured with the ultrasonic flaw detector (SAT) about the sample before TCT and after TCT300 cycles, and the increase amount was evaluated as the amount of embrittlement. The results are shown in FIG.
この実施例によれば、主としてヒートシンクとセラミックス基板間に従来から存在していた放熱用金属をなくすことによって、熱抵抗の低減が達成される。また、ヒートシンクとセラミックス基板間に従来から存在していた放熱用金属をなくすことができるので構造のシンプル化が達成される。 According to this embodiment, a reduction in thermal resistance is achieved mainly by eliminating the heat-dissipating metal that has conventionally existed between the heat sink and the ceramic substrate. In addition, since the heat dissipating metal that has conventionally existed between the heat sink and the ceramic substrate can be eliminated, the structure can be simplified.
次に、図2及び図6を参照して実施例2を説明する。
図2は、本発明のパワー半導体装置(パワーモジュール)の概略断面図である。この実施例のIGBTモジュールの絶縁回路部は、例えば、DBC基板等が用いられ、セラミックス基板の一方の面(第1の主面)に回路パターン銅板が接合されているが、他方の面(第2の主面)には従来とは異なり放熱用銅板が接合されていない。この回路パターン銅板上に半導体チップを高温はんだによってはんだ付けした後、セラミックス基板をCuヒートシンク上に載置した構造となっている。
Next,
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the power semiconductor device (power module) of the present invention. For example, a DBC substrate or the like is used for the insulating circuit portion of the IGBT module of this embodiment, and the circuit pattern copper plate is bonded to one surface (first main surface) of the ceramic substrate. Unlike the prior art, a heat radiating copper plate is not joined to the main surface 2). After the semiconductor chip is soldered on the circuit pattern copper plate with high-temperature solder, the ceramic substrate is placed on a Cu heat sink.
図2は、IGBTモジュールの断面図である。IGBTが作り込まれたシリコンチップ21は、窒化ケイ素などからなるセラミックス基板23の第1の主面にはんだ29により接合された回路パターン銅板24の上に、マウントはんだ27によって接合されている。セラミックス基板23は、従来のものとは異なり、第2の主面に放熱用銅板が形成されていない。セラミックス基板23は、リフローはんだ28によりCuヒートシンク22に接合されている。また、シリコンチップ21と回路パターン銅板24とは、Alなどからなるボンディングワイヤ26によって電気的に接続されている。マウントはんだ27には、例えば、63Sn−Pb系の材料を用いる。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the IGBT module. The
この実施例ではセラミックス基板23とCuヒートシンク22とを接合するリフローはんだ28及び回路パターン銅板24とセラミックス基板23とを接合するはんだ29は、エポキシ樹脂などの樹脂を含有するはんだ合金を用いている。シリコンチップ21、ヒートシンク22、セラミックス基板23、回路パターン銅板24等は、エポキシ樹脂などの材料を用いた樹脂封止体(図示を略す)を用いて封止されている。樹脂封止体は、例えば、トランスファーモールド等の方法を用いる。本発明では、このようなパッケージングを用いずに、ケースでヒートシンクとジョイニング後内部にシリコーンゲルを封入した構造を採用することもできる。この半導体装置の熱抵抗評価、モジュール強度信頼性評価、脆化量評価は、結果を図6に示す。
In this embodiment, the
この実施例によれば、主としてヒートシンクとセラミックス基板間に従来から存在していた放熱用金属をなくすことによって、熱抵抗の低減が達成される。また、ヒートシンクとセラミックス基板間に従来から存在していた放熱用金属をなくすことができるので構造のシンプル化が達成される。また、セラミックス基板とCu等のヒートシンク金属とは樹脂を含むはんだ合金で接合されているので、はんだに含まれる樹脂の塑性変形を吸収する作用により、従来より問題となっていたセラミックスと金属との線膨張係数差に起因する接合後の基板反りを低減でき、その結果、チップ、セラミックス基板に発生する応力低減が図られ、熱サイクル試験によるそれら部材そのものの破壊(クラック発生)及びセラミックス基板とヒートシンク間接合界面の脆化クラックの発生を抑制して高信頼性の半導体装置が得られる。 According to this embodiment, a reduction in thermal resistance is achieved mainly by eliminating the heat-dissipating metal that has conventionally existed between the heat sink and the ceramic substrate. In addition, since the heat dissipating metal that has conventionally existed between the heat sink and the ceramic substrate can be eliminated, the structure can be simplified. In addition, since the ceramic substrate and the heat sink metal such as Cu are joined by a solder alloy containing a resin, the action of absorbing the plastic deformation of the resin contained in the solder, the ceramic and the metal that have been problematic in the past Substrate warpage after bonding due to the difference in linear expansion coefficient can be reduced. As a result, the stress generated in the chip and the ceramic substrate can be reduced, the member itself is destroyed (crack generation) by the thermal cycle test, and the ceramic substrate and the heat sink. A highly reliable semiconductor device can be obtained by suppressing the occurrence of embrittlement cracks at the inter-bonding interface.
次に、図3及び図6を参照して実施例3を説明する。
図3は、本発明のパワー半導体装置(パワーモジュール)の概略断面図である。この実施例のIGBTモジュールの絶縁回路部は、例えば、DBC基板等が用いられ、窒化ケイ素などからなるセラミックス基板の一方の面(第1の主面)に回路パターン銅板が接合されているが、他方の面(第2の主面)には従来とは異なり放熱用銅板が接合されていない。この回路パターン銅板上に半導体チップを高温はんだによってはんだ付けした後、セラミックス基板をCuヒートシンク(Cuベースともいう)上に載置した構造となっている。
Next,
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the power semiconductor device (power module) of the present invention. The insulation circuit portion of the IGBT module of this embodiment is, for example, a DBC substrate or the like, and a circuit pattern copper plate is joined to one surface (first main surface) of a ceramic substrate made of silicon nitride or the like. Unlike the prior art, a heat radiating copper plate is not joined to the other surface (second main surface). After the semiconductor chip is soldered on the circuit pattern copper plate with high-temperature solder, the ceramic substrate is placed on a Cu heat sink (also referred to as Cu base).
図3は、IGBTモジュールの断面図である。IGBTが作り込まれたシリコンチップ31は、セラミックス基板33の第1の主面に形成された回路パターンを構成するメタライズ層34上にマウントはんだ37によって接合されている。メタライズ層34は、セラミックス基板33上に回路パターン状に導電ペーストを塗布し、これを熱処理して形成する膜厚50〜80μmの厚膜パターンである。厚膜パターンを構成する金属材料にはMo−TiN、Wなどが用いられる。セラミックス基板33は、従来のものとは異なり、第2の主面に放熱用銅板が形成されていない。セラミックス基板33は、Cuヒートシンク32上に載置されている。また、シリコンチップ31とメタライズ層34とは、Alなどからなるボンディングワイヤ36によって電気的に接続されている。マウントはんだ37には、例えば、63Sn−Pb系の材料を用いる。
FIG. 3 is a cross-sectional view of the IGBT module. The
セラミックス基板33とCuヒートシンク32とは、エポキシ樹脂を含有するはんだ合金(リフローはんだ38)により接合されている。シリコンチップ31、ヒートシンク32、セラミックス基板33、メタライズ層34等は、エポキシ樹脂などの材料を用いた樹脂封止体(図示を略す)を用いて封止されている。樹脂封止体は、例えば、トランスファーモールド等の方法を用いる。本発明では、このようなパッケージングを用いずに、ケースでヒートシンクとジョイニング後内部にシリコーンゲルを封入した構造を採用することもできる。この半導体装置の熱抵抗評価、モジュール強度信頼性評価、脆化量評価は、結果を図6に示す。
The
この実施例によれば、主としてヒートシンクとセラミックス基板間に従来から存在していた放熱用金属をなくすことによって、熱抵抗の低減が達成される。また、ヒートシンクとセラミックス基板間に従来から存在していた放熱用金属をなくすことができるので構造のシンプル化が達成される。また、セラミックス基板とCu等のヒートシンク金属とは樹脂を含むはんだ合金で接合されているので、従来より問題となっていたセラミックス基板と金属との線膨張係数差に起因する接合後の基板反りを低減でき、その結果、チップ、基板に発生する応力低減が図られ、熱サイクル試験によるそれら部材そのものの破壊(クラック発生)及び基板とヒートシンク間接合界面の脆化クラックの発生を抑制して高信頼性の半導体装置が得られる。 According to this embodiment, a reduction in thermal resistance is achieved mainly by eliminating the heat-dissipating metal that has conventionally existed between the heat sink and the ceramic substrate. In addition, since the heat dissipating metal that has conventionally existed between the heat sink and the ceramic substrate can be eliminated, the structure can be simplified. In addition, since the ceramic substrate and the heat sink metal such as Cu are bonded with a solder alloy containing a resin, the warpage of the substrate after bonding due to the difference in the linear expansion coefficient between the ceramic substrate and the metal, which has been a problem in the past, has occurred. As a result, the stress generated in the chip and the substrate can be reduced, and high reliability is achieved by suppressing the destruction of those members themselves (crack generation) by the thermal cycle test and the occurrence of embrittlement cracks at the interface between the substrate and the heat sink A semiconductor device is obtained.
次に、図4及び図6を参照して実施例4を説明する。
図4は、本発明のパワー半導体装置(パワーモジュール)の概略断面図である。この実施例のIGBTモジュールの絶縁回路部は、例えば、DBC基板等が用いられ、窒化ケイ素などからなるセラミックス基板の一方の面(第1の主面)に回路パターン銅板が接合されているが、他方の面(第2の主面)には従来とは異なり放熱用銅板が接合されていない。この実施例は、この回路パターン銅板上に半導体チップを高温はんだによってはんだ付けした後、セラミックス基板をCuヒートシンク上に載置した構造となっている。
Next, Embodiment 4 will be described with reference to FIGS.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the power semiconductor device (power module) of the present invention. The insulation circuit portion of the IGBT module of this embodiment is, for example, a DBC substrate or the like, and a circuit pattern copper plate is joined to one surface (first main surface) of a ceramic substrate made of silicon nitride or the like. Unlike the prior art, a heat radiating copper plate is not joined to the other surface (second main surface). In this embodiment, a semiconductor chip is soldered on this circuit pattern copper plate with high-temperature solder, and then a ceramic substrate is placed on a Cu heat sink.
図4は、IGBTモジュールの断面図である。IGBTが作り込まれたシリコンチップ41は、セラミックス基板43の第1の主面に形成された回路パターンを構成する厚さ0.6〜1.0程度のCuフレーム44上にマウントはんだ47によって接合されている。フレーム44は、セラミックス基板43の第1の主面上に形成さたメタライズ層50上にはんだ49により固着されている。セラミックス基板43は、従来のものとは異なり、第2の主面に放熱用銅板が形成されていない。また、セラミックス基板43は、Cuヒートシンク42上に載置され、リフローはんだ48により固定されている。また、シリコンチップ41とCuフレーム44とは、Alなどからなるボンディングワイヤ46によって電気的に接続されている。マウントはんだ47には、例えば、63Sn−Pb系の材料を用いる。
FIG. 4 is a cross-sectional view of the IGBT module. The
セラミックス基板43とCuヒートシンク42はエポキシ樹脂を含有するはんだ合金(リフローはんだ48)により接合されている。シリコンチップ41、ヒートシンク42、セラミックス基板43、メタライズ層44等は、エポキシ樹脂などの材料を用いた樹脂封止体(図示を略す)を用いて封止されている。樹脂封止体は、例えば、トランスファーモールド等の方法を用いる。この半導体装置の熱抵抗評価、モジュール強度信頼性評価、脆化量評価は、結果を図6に示す。
The
この実施例によれば、主としてヒートシンクとセラミックス基板間に従来から存在していた放熱用金属をなくすことによって、熱抵抗の低減が達成される。また、ヒートシンクとセラミックス基板間に従来から存在していた放熱用金属をなくすことができるので構造のシンプル化が達成される。また、セラミックス基板とCu等のヒートシンク金属とは樹脂を含むはんだ合金で接合されているので、従来より問題となっていたセラミックス基板と金属との線膨張係数差に起因する接合後の基板反りを低減でき、その結果、チップ、基板に発生する応力低減が図られ、熱サイクル試験によるそれら部材そのものの破壊(クラック発生)及び基板とヒートシンク間接合界面の脆化クラックの発生を抑制し高信頼性の半導体装置が得られる。また、メタライズ層及びフレームを用いることにより熱抵抗が低減され、しかも安価にこの様な半導体装置を形成することができる。 According to this embodiment, a reduction in thermal resistance is achieved mainly by eliminating the heat-dissipating metal that has conventionally existed between the heat sink and the ceramic substrate. In addition, since the heat dissipating metal that has conventionally existed between the heat sink and the ceramic substrate can be eliminated, the structure can be simplified. In addition, since the ceramic substrate and the heat sink metal such as Cu are bonded with a solder alloy containing a resin, the warpage of the substrate after bonding due to the difference in the linear expansion coefficient between the ceramic substrate and the metal, which has been a problem in the past, has occurred. As a result, the stress generated in the chip and the substrate can be reduced, and the thermal cycle test can suppress the destruction of these components themselves (cracking) and the occurrence of embrittlement cracks at the interface between the substrate and the heat sink. The semiconductor device can be obtained. Further, by using the metallized layer and the frame, the thermal resistance is reduced, and such a semiconductor device can be formed at a low cost.
次に、実施例5乃至実施例11を説明する。
図6は、ヒートシンク厚さ、セラミックス基板厚さ、ヒートシンク金属材料、はんだ合金材料を種々変えた場合における各実施例(実施例1乃至実施例11)及び比較例(比較例1乃至比較例4)のパワー半導体装置の特性を示すものである。図番は、実施例に対応する図1〜5のいずれかを示す。セラミックスは、セラミックス基板材料を示す。熱伝導率κ(W/mK)は、セラミックス基板の熱伝導を示す。セラミックス厚さ(mm)は、セラミックス基板の厚さを示す。ヒートシンク金属は、ヒートシンク材料を示す。熱抵抗Rth(℃/W)は、パワー半導体装置の使用状態での熱抵抗評価を示す。TCT後クラック有無は、パワー半導体装置の強度信頼性評価を示す。TCT後はんだ脆化量(%)は、パワー半導体装置の脆化量を示す。
Next, Examples 5 to 11 will be described.
FIG. 6 shows each example (Example 1 to Example 11) and comparative example (Comparative Example 1 to Comparative Example 4) when the heat sink thickness, the ceramic substrate thickness, the heat sink metal material, and the solder alloy material are variously changed. The characteristics of this power semiconductor device are shown. The figure number indicates any one of FIGS. 1 to 5 corresponding to the embodiment. Ceramics refers to a ceramic substrate material. The thermal conductivity κ (W / mK) indicates the thermal conductivity of the ceramic substrate. The ceramic thickness (mm) indicates the thickness of the ceramic substrate. Heat sink metal refers to a heat sink material. Thermal resistance Rth (° C./W) indicates thermal resistance evaluation in a usage state of the power semiconductor device. The presence or absence of cracks after TCT indicates the strength reliability evaluation of the power semiconductor device. The post-TCT solder embrittlement amount (%) indicates the amount of embrittlement of the power semiconductor device.
実施例1乃至実施例4は、それぞれ各図1乃至図4に示すパワー半導体装置を用いている。実施例5乃至実施例11は、図1に示すパワー半導体装置を用いている。比較例1乃至比較例4は、図5に示す従来のパワー半導体装置を用いている。各実施例及び比較例で用いられるセラミックス基板の材料は、実施例1乃至実施例11及び比較例1,2が窒化珪素であり、比較例3が窒化アルミニウムであり、比較例4は、アルミナを用いている。
図6において、熱抵抗Rthをみると、実施例では比較例1,2,4より10〜20%程度低減されている。また、熱抵抗的に実施例と同等の特性を有する比較例3のサンプルでは、実施例では見られなかったTCT後でのクラックが見られたので、本発明は総合的に比較例より優れた作用効果が認められる。
In the first to fourth embodiments, the power semiconductor devices shown in FIGS. 1 to 4 are used. In the fifth to eleventh embodiments, the power semiconductor device shown in FIG. 1 is used. Comparative Examples 1 to 4 use the conventional power semiconductor device shown in FIG. The materials of the ceramic substrate used in each example and comparative example are silicon nitride in Examples 1 to 11 and Comparative Examples 1 and 2, Comparative Example 3 is aluminum nitride, and Comparative Example 4 is alumina. Used.
In FIG. 6, the thermal resistance Rth is reduced by about 10 to 20% in the example compared with the comparative examples 1, 2, and 4. Further, in the sample of Comparative Example 3 having the same thermal resistance as that of the Example, cracks after TCT that were not seen in the Example were observed, so the present invention was comprehensively superior to the Comparative Example. The effect is recognized.
本発明を説明する実施例は、以上の通りであるが、本発明は、さらに次のような構造を有することができる。セラミックス基板上に形成された回路パターン銅板の厚さは、100μmが適当である。Cuなどのヒートシンクの厚さは、2mm以上が適当である。セラミックス基板の厚さは、0.55mm以下が適当であるである。ヒートシンク金属は、Cuの外、Alであってもよい。ヒートシンクは、CuあるいはAlを含む複合体であってもよい。セラミックス基板とヒートシンクとの接合に用いられる合金、もしくは半導体チップと回路パターンを接合するはんだは、Pbフリーであってもよい。 The embodiments illustrating the present invention are as described above, but the present invention can further have the following structure. The thickness of the circuit pattern copper plate formed on the ceramic substrate is suitably 100 μm. The thickness of the heat sink such as Cu is suitably 2 mm or more. The thickness of the ceramic substrate is suitably 0.55 mm or less. The heat sink metal may be Al in addition to Cu. The heat sink may be a composite containing Cu or Al. The alloy used for joining the ceramic substrate and the heat sink, or the solder joining the semiconductor chip and the circuit pattern may be Pb-free.
1、21、31、41、101・・・シリコンチップ
2、22、32、42、102・・・ヒートシンク
3、23、33、43、103・・・セラミックス基板
4、24、104・・・回路パターン銅板
6、26、36、46、106・・・ボンディングワイヤ
7、27、37、47、107・・・マウントはんだ
10・・・樹脂封止体
28、38、48、108・・・リフローはんだ
29、49・・・はんだ
34、50・・・メタライズ層
44・・・Cuフレーム
105・・・放熱用銅板
1, 21, 31, 41, 101 ...
Claims (5)
前記半導体チップが第1の主面上に搭載されたセラミックス基板と、
前記半導体チップが接合されている前記第1の主面に形成された回路パターンと、
前記セラミックス基板の第1の主面とは反対側の第2の主面に直接接しているヒートシンクとを備えていることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor chip;
A ceramic substrate on which the semiconductor chip is mounted on the first main surface;
A circuit pattern formed on the first main surface to which the semiconductor chip is bonded;
A semiconductor device comprising: a heat sink directly in contact with a second main surface opposite to the first main surface of the ceramic substrate.
前記半導体チップが第1の主面上に搭載されたセラミックス基板と、
前記半導体チップが接合された第1の主面に形成された回路パターンと、
前記セラミックス基板の第1の主面とは反対側の第2の主面に接着剤を介して接しているヒートシンクとを備えていることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor chip;
A ceramic substrate on which the semiconductor chip is mounted on the first main surface;
A circuit pattern formed on the first main surface to which the semiconductor chip is bonded;
A semiconductor device comprising: a heat sink in contact with a second main surface opposite to the first main surface of the ceramic substrate through an adhesive.
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Cited By (4)
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---|---|---|---|---|
JP2008028011A (en) * | 2006-07-19 | 2008-02-07 | Denso Corp | Mold package, and its manufacturing method |
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JP2012114224A (en) * | 2010-11-24 | 2012-06-14 | Mitsubishi Materials Corp | Power module substrate with heat sink and manufacturing method of the power module and the power module substrate |
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-
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- 2004-03-29 JP JP2004094135A patent/JP2005285885A/en active Pending
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