JP2006179732A - 半導体パワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】
樹脂封止半導体パワーモジュールのハンダ接続部の熱疲労寿命と耐湿性とを、同時に向上させる。
【解決手段】
本発明の半導体パワーモジュールは、セラミックス基板に高純度ＡｌもしくはＡｌ合金を直接接触させて接合させた絶縁基板にハンダを介してＳｉチップを搭載し、このＳｉチップと絶縁基板とを、線膨張係数が１０×１０^-6〜４０×１０^-6／℃、ヤング率が３〜２０ＧＰａ、ガラス転移温度Ｔｇが１５０℃以上であるのエポキシ系樹脂で封止した。
【選択図】図１

Description

本願発明は、家電用、産業用、車両用等に広く用いられる樹脂封止した半導体パワーモジュールに関する。

ＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴ、ダイオードなどのパワー半導体スイッチング素子を内蔵した半導体パワーモジュールは、スイッチング素子の発熱量が大きいので、一般に、熱伝導率が高く電気絶縁性も高い材料を絶縁板に用いる。発熱量が大きな中容量から大容量の半導体パワーモジュールでは、絶縁板に、熱伝導率の高いセラミックスが主として用いられている。このような半導体モジュールには、コスト低減化と信頼性の維持向上との両立が要求されている。なお、以下の記述では、半導体パワーモジュールを単にモジュールと略す。

特許文献１には、部品類の全面保護としてシリコーンゲルが注入され、シリコーンゲルの上にエポキシ樹脂を注入するモジュール構造と、線膨張係数が５×１０^-6／℃〜２５×１０^-6／℃の樹脂で半導体チップを直接封止するモジュール構造とが開示されている。特許文献２には、セラミックス基板に高純度溶融Ａｌを直接接合させた金属−セラミックス複合基板が開示されている。なお、特許文献２には、モジュール構成の詳細について開示がない。特許文献３には、比較的硬いＡｌ合金をセラミックス板に接合した複合基を用いたシリコーンゲルを注入したモジュールが開示されている。

特開平６−５７４２号公報 （（０００２）段落〜（０００６）段落、（０００９）段落〜（００１０）段落、図１、図２） 特開２００１−１４４２２４号公報 （（００２４）段落、図７） 特開２００３−２５８１５０号公報 （（００１５）段落、（００２７）段落、（００２９）段落、（００３１）段落〜（００３４）段落、（００３６）段落、図２、図３）

前記従来技術のモジュールで、より高熱伝導性と低コスト化を考えると、セラミックス絶縁板と金属基板とをろう材、もしくはハンダ材等で接合するために、セラミックス絶縁板と金属基板とにＮｉを主にしたメタライズ層を形成するので、製造工程がかさむことや、メタライズ層などの介在による接合層の熱損出の問題がある。さらに、メタライズ層、ろう付け部、ハンダ接合部等の線膨張係数、剛性の違いなどから生ずる接合後の基板の反りや、基板の反りに絡むモジュール内の接続部の歩留まり低下、性能低下等の問題があった。

特許文献１と特許文献３とが開示しているシリコーンゲルを充填するモジュールでは、チップ、基板等がシリコーンゲルで直接被覆されていて、ヤング率が低いのシリコーンゲルでは半導体チップや基板等の熱膨張による変位を拘束できない。このために、ハンダ接合部に応力が集中し、モジュールの寿命が向上しない。さらに、モジュールのセラミックス基板が厚いＡｌベースと一体になっているので、セラミックス基板の見掛けの線膨張係数が大きくなり、半導体チップとセラミックス基板間のハンダの寿命がさらに厳しくなる。また、一体化したＡｌとセラミックス基板間の接合端部でも、Ａｌの疲労劣化や端部セラミックスの破損などが予想される。

また、特許文献１が開示している半導体チップを直接封止する構成では、封止樹脂の線膨張係数が２５×１０^-6／℃より大きな樹脂には適用できないことが（００２３）段落に開示されている。

本願発明の目的は、高い信頼性の樹脂封止した半導体パワーモジュールを提供することである。

本願発明の半導体パワーモジュールは、物性を適正化したエポキシ系樹脂で封止して、ハンダ接合部の寿命を大幅に向上させた。本願発明の半導体パワーモジュールは、セラミックス基板に高純度ＡｌもしくはＡｌ合金を直接接合し、ハンダ接合部が１階層の構造である。

本願発明の半導体パワーモジュールは、封止用エポキシ系樹脂のヤング率を下げて、かつ封止用エポキシ系樹脂の線膨張係数をハンダの線膨張係数に近づけ、しかも封止用エポキシ系樹脂の線膨張係数がセラミックス・Ａｌベース複合基板の線膨張係数に近いので、ハンダ付け後のモジュールの反りを抑えられ、さらに、高温時には複合基板のＡｌベース基板が膨らむように反る（外側に反る）ので、放熱板とＡｌベース基板との間に介在する熱伝導グリースとの接触が途切れない。この結果、本願発明の半導体パワーモジュールは、接続部の信頼性が一層高くなり、熱性能が高く寿命も長い。

本願発明の半導体パワーモジュールは、封止用エポキシ系樹脂の線膨張係数が１４×１０^-6〜２４×１０^-6／℃であり、室温（１５℃〜２０℃）のヤング率が３ＧＰａ〜１８ＧＰａ、より望ましくは５ＧＰａ〜１０ＧＰａである。封止用エポキシ系樹脂のヤング率、線膨張係数をこのように選定したので、ハンダのクラック起点での応力集中を抑えて長寿命化を達成し、かつ、半導体チップの破壊を起さないレベルの応力で拘束し、チップ端部及び素子を保護する。この結果、本願発明の半導体パワーモジュールは、封止用エポキシ系樹脂で半導体チップを拘束でき、半導体チップ界面剥離を防止でき、ハンダ接合部の寿命が一層向上する。

本願発明の半導体パワーモジュールは、封止用エポキシ系樹脂のガラス転移温度Ｔｇが１５０℃以上であるので、ガラス転移温度Ｔｇ以上の線膨張係数の急激な上昇（２倍〜３倍）を避けることで、半導体パワーモジュールの信頼性が向上する。これにより、半導体素子及びチップ端部に大きな応力を作用させないように隔離するように機械的に保護し、半導体チップの保護、界面剥離防止を向上させ、かつ、パワーサイクル、温度サイクルにおけるハンダの寿命を向上させ、さらにモジュールの反りを抑えることができる。これにより、電気的絶縁、機械的保護等を兼ね備えた高性能・小型・軽量、低コストモジュールが実現できる。

本願発明によれば、汎用のＡｌ₂Ｏ₃基板、ＡｌＮ基板、Ｓｉ₃Ｎ₄基板、ＳｉＣ基板等に、高純度ＡｌもしくはＡｌ合金を直接溶湯接続したセラミックス絶縁基板を使用して、プロセスを簡素にし、ハンダの熱疲労寿命を向上させ、モジュールの反りを抑え、かつ素子部の保護を兼ねた低コストの半導体パワーモジュールを提供できる。

以下、本願発明の詳細を図面を参照しながら説明する。

図１に、本実施例によるエポキシ系樹脂１０で封止し、セラミックス基板１０２の片方の面に金属の電極１５とハンダ３とを介して半導体チップであるＳｉチップ１を搭載した半導体パワーモジュールの断面図を示す。図１に示すように、セラミックス基板１０２の別の面には、放熱用のＡｌ製のベース基板４が配置され、このベース基板４はセラミックス基板１０２より面積が広い。

なお、ベース基板４の材質は、Ａｌに限られず、Ａｌを含む合金や、Ｃｕや、Ｃｕを含む合金や、Ｆｅや、Ｆｅを含む合金を用いることができる。また、図１のＳｉチップ１は、ＩＧＢＴあるいはパワーＭＯＳＦＥＴあるいはダイオードの何れであっても良く、セラミックス基板１０２に１個あるいは２個以上搭載しても良い。

図１に示すセラミックス基板１０２は、９９〜９９.９９％ 純度のＡｌが直接張り合わされているＡｌ−セラミックス複合部材である。このようなＡｌ−セラミックス複合部材は、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄等のセラミックス基板上に高純度Ａｌ溶湯を直接接触させた状態で移動し、溶湯でぬらした後冷却して作られたものである。このＡｌ−セラミックス複合部材のＡｌ−セラミックス界面の接合状態は、例えば特開平１１−２６３６７６号公報に開示されているように、物理接合か化学接合か区別できないが、工業的に界面を清浄化し、強固に接合させている。また、基板の反りを、柔軟な高純度Ａｌの変形で開放するので、脆い基板でも界面破壊発生を回避できる。また、Ａｌとセラミックスとの接合部には十分なピール強度があって、高純度Ａｌを用いるため熱伝導にも優れている。

本実施例では、セラミックス基板１０２表面でハンダ接続に必要な箇所のＡｌ部分を、ＮｉもしくはＮｉ／Ａｕフラッシュメッキし、チップ裏面に薄膜メタライズしたパワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ダイオードなどのパワー半導体のＳｉチップ１とリード２とを、予めＳｎ−３Ａｇ−０.５Ｃｕ の鉛フリーハンダペーストを塗布した上に位置決め配置し、次いで、Ｓｉチップ１とリード２、電気回路部品等を一括して窒素で置換した雰囲気に入れ、その後で、真空ハンダ付けでリフロー接続を行った。洗浄後、Ａｌ線８でＳｉチップ１や電気回路６、リード２を超音波ワイヤボンド（ＷＢと略す。）で接続する。この後、エポキシ系樹脂１０をポッティング、あるいはトランスファモールドして図１に示すように樹脂封止する。

モジュールのハンダ３の寿命を向上するためにはＳｉチップ１、セラミックス基板１０２、Ａｌのベース基板４等を拘束し、かつＳｉチップ１を保護できて、Ｓｉチップ１外周部の応力集中を緩和できる低いヤング率で、線膨張係数をハンダの線膨張係数に合わせたエポキシ系樹脂１０の拘束効果が重要である。

なお、剛性が強いＡｌ合金をＡｌ−セラミックス複合部材のＡｌの代わりに用いてもよい。Ａｌ合金の場合は、セラミックスに接着した後のＡｌ合金の変形は少ないが、密着強度が高く反り難い。Ａｌ合金−セラミックス複合部材で基板製作後は、上記高純度Ａｌ−セラミックス複合部材と同様なプロセスでモジュールを製作した。この場合もパワーサイクル試験、温度サイクル試験等で評価したところ、高純度Ａｌ−セラミックス複合部材の場合と同等な信頼性を確認した。

本実施例のモジュールでは、実施例１で、線膨張係数が１８×１０^-6／℃、室温（１５℃〜２０℃）のヤング率が１０ＧＰａのエポキシ系樹脂１０を用いた。本実施例のモジュールでは、パワーサイクル試験や温度サイクル試験で、ハンダ３のクラック進展は殆ど認められなかった。以下詳述する。

ヤング率を下げたエポキシ系樹脂１０でＳｉチップ１の周囲を囲むことで、素子への影響、Ｓｉチップ１の界面剥離等から開放できる。さらに、エポキシ系樹脂１０がハンダ３とＳｉチップ１を取り囲み拘束する補強効果、即ち、Ｓｉチップ１端部でのハンダ３の応力集中を緩和することにより、ハンダ３のクラック進展を阻止する。

この場合、エポキシ系樹脂１０の応力−歪特性は熱弾性で近似でき、ハンダ３の応力−歪特性は熱弾塑性で近似される。このように近似できるので、ハンダ３のヤング率（Ｓｎ−３Ａｇ−０.５Ｃｕ；２０℃で約４０ＧＰａ）がエポキシ系樹脂１０より高くても、モジュールをパワーサイクル試験、温度サイクル試験する温度変化域では、応力が作用するとハンダ３が塑性変形して、ハンダ３の見掛けのヤング率が低くなる。そのために、ハンダ３の見掛けのヤング率が１０ＧＰａ以下になって、エポキシ系樹脂１０と同様の柔らかさと見なせるので、Ｓｉチップ１周囲が柔らかい材料で包まれて保護された状態になる。

低温時に、エポキシ系樹脂１０が収縮し応力が作用した場合、Ｓｉチップ１周囲にも応力が作用して、エポキシ系樹脂１０とＳｉチップ１界面で剥離、破壊を起こす恐れがある。それを防止するためエポキシ系樹脂１０のヤング率を下げる必要がある。エポキシ系樹脂の好適なヤング率はＳｉチップ寸法等にも依存するが、Ｓｉチップ１やセラミックス基板１０２等を強く拘束でき、かつ界面剥離、チップ破壊を起こさないようにするには、ヤング率を適度に低くし、かつ線膨張係数をハンダ３の線膨張係数に近づけることが必要である。

本実施例のモジュールも、実施例１と同様に図１に示す断面構造で、Ａｌ₂Ｏ₃基板に９９〜９９.９９％ 純度のＡｌを直接張り合わせたＡｌ−セラミックス複合部材をセラミックス基板１０２として用いた。

本実施例のモジュールは、全体をエポキシ系樹脂１０で覆ったので、温度サイクル、パワーサイクル試験条件下でシリコーンゲルで封止する従来技術のモジュールに比べ、ハンダ３の寿命が大幅に改善される。以下そのメカニズムの検討結果を示す。

これまで、樹脂封止型モジュールの寿命に対する樹脂の設計指針が明確になっていない。以下に示すように、適正な樹脂物性値を選定することで、シリコーンゲル封止構造に比べ、温度サイクル試験、パワーサイクル試験の熱疲労寿命を大幅に向上ができることが分かった。また、有限要素法解析でも実験結果の妥当性を確認できた。

エポキシ系樹脂で封止することで、シリコーンゲル封止構造より優れた熱疲労寿命を示すことが、Ａｌ₂Ｏ₃基板のフリップチップ実装における樹脂充填構造で知られており、例えば、電子情報通信学会論文誌Ｃ−II、Ｖｏｌ.Ｊ７３−Ｃ−II Ｎｏ.９，ｐｐ５１６−５２４に記載がある。

フリップチップ実装より高出力、大型Ｓｉチップを用いる本実施例のパワーモジュールでも、高い信頼性を確保できる見通しを得た。全体を封止するエポキシ系樹脂１０の線膨張係数をハンダ３の線膨張係数（２１×１０^-6／℃）に近づけることで、Ａｌのベース基板４の線膨張係数（２４×１０^-6／℃）にも近づくので、モジュールの反りを防止でき、かつエポキシ系樹脂１０のヤング率低くすることでハンダ３接合部の寿命も向上する。

なお、Ａｌ₂Ｏ₃基板の他に、ＡｌＮ基板でも、線膨張係数の差が大きいＡｌＮ基板とＡｌベース基板間にハンダではなく柔軟で変形性に優れる高純度Ａｌ基板を用いることで基板の反りが開放される。また、樹脂で周囲を補強するため、ＡｌＮ基板端部のＡｌベース基板からの剥がれや破損が生じない。

本実施例では、樹脂の基板及びチップへの熱応力的影響を調べるために、薄膜で配線を施した破壊し易いソーダガラス基板(熱膨張係数；９.３×１０^-6／℃) 上にＳｉチップをハンダバンプで接続し、その隙間及び周囲に樹脂を充填し、樹脂を硬化させたモジュールのモデルも作製し、これを温度サイクル試験（−４０℃〜１００℃）を実施し、樹脂物性による素子、基板の端子部破壊による断線の有無の評価もした。

図２は、封止樹脂に配合する石英フィラーと、微粒子状のシリコーン系のゴムの配合率に対する基板の端子部破壊による断線を調べたデータである。図２では、樹脂封止がない裸チップ構造（シリコーンゲル構造と同等）の寿命を基準にして、これよりも寿命が短い場合を×、長い場合を程度に応じ、優れる：△印、大幅に優れる：○印と表記した。

図２からフィラー配合量の適正範囲は２０〜６０Ｖｏｌ％である。図２では、ゴムの配合率はエポキシ樹脂１００ｇｆに対する重量部で表示した。図２に示すようにゴムの配合率は１重量部（０.９９重量％に相当）から２０重量部（１６.７重量％に相当）の範囲が好ましく、特に５重量部（４.８重量％に相当）から１０重量部（９.１重量％に相当）が好ましい。ゴムの配合率が２０重量部(１６.７重量％に相当) を超えると、樹脂内のゴムの分散が不均一になると共に、ゴムの線膨張係数が大きいので、混入後の樹脂組成物の線膨張係数も大きくなって、耐熱疲労性が低下する。なお、ゴムを配合するとヤング率がそれ程変わらずに、ガラス割れを起こさないことから、急激な温度変化に対する、熱衝撃緩和効果が認められる。

図３は、樹脂封止構造パワーモジュールの設計指針を得るための封止用のエポキシ系樹脂１０の線膨張係数に対する、Ｓｉチップ１の応力と、ハンダ歪との関係を示すグラフである。図３（ａ）のグラフ中に示す断面モデル構造で、パワーサイクル試験におけるＳｉチップ１の端部Ｂの相当応力と、ハンダ３のクラック起点Ａの相当歪とを、有限要素法による３次元弾塑性解析を行った。温度プロファイルは、実績のある１２０℃→２０℃→１２０℃→２０℃の変化で、１.５ サイクルの温度変化で発生したＳｉチップ１端部Ｂの相当応力振幅及びハンダ３のクラック起点Ａでの相当歪振幅を求めた。なお、Ｓｉチップ１表面に作用する応力として、相当応力の他に主応力、σｘ、σｙ、σｚ等での評価も行ったが、ほぼ相当応力に比例していることから、ここでは相当応力で評価した。図３（ａ）、図３（ｂ）中に示した各枠の内側はエポキシ系樹脂１０の線膨張係数の適正領域（１４×１０^-6／℃〜２４×１０^-6／℃）を示す。

図３（ａ）から、封止用のエポキシ系樹脂１０のヤング率が、Ｓｉチップ１の端部Ｂの応力に直接に影響を与えることが分かる。同一ヤング率の場合、ヤング率が低い１５ＧＰａレベルでは、エポキシ系樹脂１０の線膨張係数が１０×１０^-6／℃〜４０×１０^-6／℃の広い範囲で、相当応力は変わらない。適正領域ではさらにその傾向が強い。封止用のエポキシ系樹脂１０のヤング率が約２０ＧＰａを超える（図３（ａ）では２０ＧＰａの曲線を省略している。）とＳｉチップ１の端部Ｂにかかる相当応力は、線膨張係数３０×１０^-6／℃以上で上昇する傾向が強い。封止用のエポキシ系樹脂１０のヤング率が高いと、Ｓｉチップ１の端部Ｂの相当応力が上昇し、またエポキシ系樹脂１０のヤング率が約２０ＧＰａより小さいと、封止用のエポキシ系樹脂１０の線膨張係数が３０×１０^-6／℃より小さい場合には、小さくなるにつれて相当応力が多少上昇する傾向はあるが、線膨張係数１０×１０^-6／℃〜３０×１０^-6／℃の広い範囲で、相当応力はあまり変わらない。

図３（ｂ）から、封止用のエポキシ系樹脂１０のヤング率が同じ場合、エポキシ系樹脂１０の線膨張係数が増す程、ハンダ３のクラック起点Ａの相当歪が大きくなる。しかし、破線で示した従来技術のシリコーンゲル充填構造の値と比べると、エポキシ系樹脂１０の線膨張係数が１０×１０^-6／℃〜４０×１０^-6／℃を超える広い範囲で、ハンダ３の相当歪は低い値を示しており、シリコーンゲル充填構造よりハンダ３の寿命が長いことを示している。実際のパワーサイクル加速試験でも、この樹脂構造では、ハンダ３に起因する寿命低下は生じていないことを確認した。これらのことは、封止用のエポキシ系樹脂１０の物性を適切に選定すればハンダ３の応力集中を緩和することを示し、有限要素法解析でも確認できた。

図４は、封止用のエポキシ系樹脂１０の線膨張係数に対する、Ｓｉチップの端部Ｂの応力と、ハンダ歪の関係図である。図４中に示した枠内は、エポキシ系樹脂１０の線膨張係数の適正領域（１４×１０^-6／℃〜２４×１０^-6／℃）を示す。図４は、エポキシ系樹脂１０の線膨張係数を横軸にとり、縦軸にハンダのクラック起点Ａの相当歪（左）とＳｉチップ１表面素子端部Ｂに作用する相当応力（右）をとって、プロットしたものである。また、破線はシリコーンゲルで全体を充填した従来技術のモジュールのハンダのクラック起点の相当歪を示す。エポキシ系樹脂１０の線膨張係数が１４×１０^-6／℃〜２４×１０^-6／℃の範囲では、ハンダ３のクラック起点Ａでの相当歪は、シリコーンゲルで全体を被覆した構造のハンダの相当歪よりも小さい。従って、図４に示すように、線膨張係数が１４×１０^-6／℃〜２４×１０^-6／℃の範囲のエポキシ系樹脂１０を用いると、シリコーンゲル封止構造に比べ、ハンダ３の歪は小さくなることから、ハンダ３に起因する断線の確率がより少くなる。また、Ｓｉチップ１の端部Ｂの相当応力σ（窓枠部）の値も小さく、Ｓｉチップ１の破壊応力（１００ＭＰａ）以下であり、素子部の破壊、界面での剥離等が起こり難くなる。

図５は、樹脂１０１のヤング率と樹脂１０１による拘束の関係を示す解析結果のグラフである。Ｓｉチップ１（１０×０.５mm 厚さ）とＡｌ₂Ｏ₃基板１０３（１０×１mm厚さ）間に樹脂１０１を入れ、１５０℃から−５５℃に変化させ、樹脂１０１のヤング率を変えた場合に、最外周部の両者の相対変位（ΔＬ）を２次元熱弾塑性解析で求め縦軸に示した。樹脂１０１の線膨張係数は２５×１０^-6／℃として計算した。図５より、変位を拘束する樹脂１０１のヤング率は少なくとも１ＧＰａ以上必要であることが分かる。

さらに、有限要素法解析結果によって、変位を拘束する樹脂１０１のヤング率は少なくとも１ＧＰａ以上であることが必要であり、しかもＳｉチップを１拘束する効果が確実に現われるためには、モジュールの封止用のエポキシ系樹脂１０のヤング率が３ＧＰａ以上必要であることを確認した。ヤング率が１５ＧＰａ以上では変位は余り変わらないが、Ｓｉチップ１の界面に作用する応力が大きくなり、チップ素子部への影響、Ｓｉチップ１界面剥離、素子部の破壊、チップ割れ等を起こしやすくなる。このため、弱いＳｉチップ１表面を保護する意味からも、ヤング率が高過ぎる樹脂は好ましくない。

また、実際に製造する製品では、弱い素子もあり、高い歩留まりで高い信頼性を確保するには封止用のエポキシ系樹脂１０のヤング率を下げることが重要である。有限要素法による３次元弾塑性解析でも物性による違いを確認できた。なお、ヤング率（曲げ弾性率）の測定は、樹脂硬化物を５×１０×１００mmに切削し、ＪＩＳ−６９１１規定の曲げ試験片を作製した。これを、島津製作所製オートグラフＤＳＳ−５０００を用いて、曲げ速度１mm／min、支点間距離８０mmの条件で、両端指示中央集中荷重法によって測定した。

以上の検討結果をまとめ素子への影響を考慮し、高い信頼性を得るための封止用エポキシ系樹脂１０の物性を整理すると次の（１）〜（６）に示すようになる。

（１）線膨張係数：１０×１０^-6／℃〜４０×１０^-6／℃、望ましくは１４×１０^-6／℃〜２４×１０^-6／℃。
（２）ヤング率：３ＧＰａ〜２０ＧＰａ、望ましくは５ＧＰａ〜１０ＧＰａ。
（３）先に塗布されるポリイミド系樹脂９に対して密着性に優れること。
（４）ガラス転移温度Ｔｇが１５０℃以上、望ましくは１７０℃以上であること。
（５）シリコーンゲル等の高温で安定な微粒子ゴムを可撓化剤としてエポキシ系樹脂に分散させて衝撃を緩和。
（６）不純物濃度：Ｎａ⁺，Ｋ⁺≦１ppm、Ｃｌ^-≦５ppm
さらに、以下の新たな機能が追加されることになる。
（７）エポキシ系樹脂で封止する前に、実装したＳｉ基板表面を、予め耐熱性のある柔らかいポリアミドイミド系、あるいはポリイミド系樹脂を、薄くスプレー等で塗布する。耐熱性に優れる柔らかいポリイミド系樹脂を薄く塗布することでエポキシ系樹脂にはない新たな変形機能付加により、応力を逃がす役割を果たす。この結果、半導体パワーモジュールで、高信頼実装を実現することが可能になった。

本実施例では、実施例１から実施例４で説明したモジュールで、封止用のエポキシ系樹脂１０の線膨張係数とガラス転移点Ｔｇとを検討した。本実施例のモジュールは、（１）パワーサイクル、温度サイクルにおけるハンダの熱疲労寿命向上、（２）Ｓｉチップ端部における樹脂との界面剥離防止、（３）素子部の樹脂からの応力に対する保護、（４）界面からの浸水防止（耐湿性向上）、（５）モジュール基板の反り低減、（６）機械的負荷に対する保護等を満たす。

機械的に特定した物性を有するエポキシ系樹脂１０で封止することで、チップ下ハンダの寿命を大幅に向上できる。この寿命向上のためには、エポキシ系樹脂１０の線膨張係数を２０×１０^-6／℃〜４５×１０^-6／℃にすればよい。また、基板の反り防止のためには、基板の線膨張係数に合わすか、それより線膨張係数を低めにすることで、基板の反りを中央部が凸状に外側に変形させて、熱伝導性グリースとの接触を良くする。例えば、ベース基板がＣｕの場合、基板の線膨張係数１７×１０^-6／℃であり、ばらつきを考慮し、エポキシ系樹脂１０の線膨張係数の下限を１４×１０^-6／℃に設定した。

また、Ａｌ基板の場合は、線膨張係数が２４×１０^-6／℃、Ｃｕ基板の場合は線膨張係数１７×１０^-6／℃であり、Ｓｎ系ハンダの線膨張係数２０.５×１０^-6／℃であることを考慮し、エポキシ系樹脂１０の線膨張係数の上限を２４×１０^-6／℃とした。

このように、本実施例のモジュールでは、１４×１０^-6／℃〜２４×１０^-6／℃の線膨張係数を有し、低いヤング率のエポキシ系樹脂１０を使用することで、基板の反り防止、ハンダの寿命向上等を同時に達成することができる。

ハンダと同じ２１×１０^-6／℃前後の線膨張係数のエポキシ系樹脂１０で封じることで、エポキシ系樹脂１０及びハンダ３がＳｉチップ１を取り囲むことで応力による素子の破壊を防止できる。同時にハンダ３の寿命を向上させるため、Ｓｉチップ１及びセラミックス基板１０２、ベース基板４等も拘束できるエポキシ系樹脂１０の補強効果が必要である。即ち、応力的に最も厳しい位置であるＳｉチップ１の端部、セラミックス基板の端部でのハンダ３の応力集中を緩和する役割を果たすことにより、ハンダ３のクラック進展を阻止できる。このため、Ｓｉチップ１表面を保護する柔らかさと、強い拘束力が必要となる。

さらに、樹脂特有の問題として、ガラス転移温度Ｔｇがある。特にパワーモジュールにおいては高温時の特性が重視されるので、ガラス転移温度Ｔｇは信頼性に大きく影響を及ぼす。一般に、ガラス転移温度Ｔｇが低い樹脂は作業性に優れることから、使い勝手性に優れるが、ガラス転移温度Ｔｇ以上の温度では線膨張係数が約３倍に急上昇するので、高温でのマージンが少ないと良い結果が得られない場合がある。従って、使用環境条件、加速試験等はガラス転移温度Ｔｇ以下であることが高信頼性確保の必要条件である。厳しいパワーサイクル試験を考慮すると、ガラス転移温度Ｔｇは１５０℃以上が必要で、１７０℃位であることが望ましい。これにより厳しい環境条件、熱処理等の高温での熱の影響によるダメージを最小限に抑え、高い信頼性を確保できる。なお、ガラス転移点温度Ｔｇの上限は、モジュールの動作上限温度を考慮すれば２５０℃で十分である。

線膨張係数とガラス転移温度Ｔｇの測定は、真空理工製の熱物理試験機ＴＭＡ−１５００を用いた。厚さ４mmの硬化試験片を圧縮モード、毎分１℃の速度で昇温し、伸びの温度特性を測定した。線膨張係数αは伸びの温度特性から求め、ガラス転移温度Ｔｇを伸びの温度特性グラフの変曲点とした。

本実施例のパワーモジュールの断面を図６（ａ）に示す。本実施例では、Ｓｉチップ１の上方及びその周辺のモジュールの応力的負担が少ない位置にフェライト部材１１６を配置し、高周波ノイズ対策、電磁的遮断効果を持たせた構造としたことが、実施例１から実施例５と異なる。

図６（ａ）のフェライト部材１１６は、フェライト板をモジュール上面に固定してもよいし、フェライト粉末を耐熱性のある接着剤で固着した板でも良く、あるいは封止用樹脂のフィラー材として混合してもよい。本実施例に用いるフェライト粉末には一例として、ＮｉＦｅ₂Ｏ₄・ＺｎＦｅ₂Ｏ₄があるが、これに限定されるものではない。図６（ａ）に示す構造でパワーサイクル試験を行った結果、ジャンクション温度Ｔｊが５０〜１５０℃では、１００００サイクルでも破壊せず、ハンダのクラック進展は殆ど認められないことが分かった。

図６（ｂ）は本実施例のモジュールをトランスファモールドで成型する模式図である。上下の金型１１７は図６（ｂ）に示していないヒータを埋め込んだ上下のプラテンで固定される。モールドしたエポキシ系樹脂１０がベース基板４から剥がれ難いようにベース基板４のＡｌ板の端部に溝７を加工した。

本実施例のモジュールをパワーサイクル試験した結果、ジャンクション温度Ｔｊが５０℃〜１５０℃では、１００００サイクルでも破壊せず、ハンダのクラック進展は殆ど認められないことが分かった。本実施例では、実施例１で説明したように、セラミックス基板にＡｌを直接に接合した構造なので、材料、工程が大幅に削減でき、ハンダの鉛フリー化も容易になり、信頼性を向上した小型・軽量の半導体パワーモジュールを提供できる。

本実施例のモジュールを図７に示す。図７（ａ）、図７（ｂ）は平面図を、図７（ｃ）は断面図を示す。本実施例では、Ａｌのベース基板４の実装面側のセラミックス基板１０２の外周部に、予め機械加工やエッチング等で連続した溝７を形成し、セラミックス基板１０２とベース基板４間の外周部界面に、図示していないエポキシ系樹脂１０からの応力がストレートに伝わらぬようにした。同様にＳｉチップ１を搭載するＡｌの電極１５の外周部にも、溝７′を配置した。なお、Ａｌ電極部の溝７′とＡｌのベース基板４に設けた溝７は界面にから浸透する水が通る距離を長くし、モジュールの耐湿性を向上させる。ここで、Ａｌの電極１５に図７（ｂ）に示すよう応力が集中するＳｉチップ１の角に相当する部分に互いに不連続な溝１１を複数個配置しても良い。同様に、ベース基板４の角部に不連続な溝を複数個配置しても良い。

本実施例では、プロセス簡素化のため、外部リードはＮｉメッキしたＣｕ板を打ち抜いたものとし、これをＳｉチップ１や他の部品等と同時に鉛フリーハンダペーストで一括真空リフローで接続し、真空ハンダ付け後に、洗浄、ワイヤボンド、トランスファモールドもしくはポッテイングによる樹脂封止工程を行った。樹脂封止後は必要に応じて脱泡処理、硬化処理し、外部リードを切断し、リードのフォーミングを行った。

本実施例の１辺が７mmの概略正方形のチップを搭載し、線膨張係数が２１×１０^-6／℃、室温（１５℃〜２０℃）のヤング率が１３ＧＰａのエポキシ系樹脂１０を用いたモジュールで、パワーサイクル試験及び温度サイクル試験を行ったが、ハンダ３のクラック進展は殆ど認められなかった。即ち、シリコーンゲルで充填した従来技術のモジュール構造に比べると、約３倍〜１０倍にハンダ３の寿命が向上した。このように寿命が向上するメカニズムは、適正な樹脂物性の選定により、ハンダクラック起点での応力集中を抑え、Ｓｉチップ１の破壊を起さないレベルの応力でチップを保護、拘束したためである。

なお、エポキシ系樹脂１０の線膨張係数は、高い精度でハンダ３の線膨張係数に合わせる必要はなく、１４×１０^-6〜２４×１０^-6／℃の範囲であれば、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のハンダ組成、Ａｌのベース基板４の値を包含し、基板の反りを抑えることができる。Ｓｉチップ１の線膨張係数はハンダ３の線膨張係数に比べかなり低いので、エポキシ系樹脂１０には密着力が必要であり、かつヤング率を低くする必要がある。なお、エポキシ樹脂系１０のヤング率が２０ＧＰａ以上では、エポキシ系樹脂１０とＳｉチップ１との界面での樹脂剥離、Ｓｉチップ割れ、素子部の破損等を起こす確率が高くなり好ましくない。エポキシ樹脂系１０のヤング率が１８ＧＰａ〜２０ＧＰａでは、チップ寸法・構造、試験条件の厳しさによって起きる場合と、起きない場合の境界レベルにある。

また、エポキシ系樹脂１０中にシリコーン系ゴムの微細粒子を５重量％〜１０重量％分散させると、多少ヤング率を下げられるが、そのマクロな物性効果以上にゴム添加による耐熱衝撃緩和材として優れた効果がある。このシリコーン系ゴムの微細粒子を含んだエポキシ系樹脂１０を用いたモジュールでパワーサイクル試験を行った結果、ジャンクション温度Ｔｊが５０℃〜１５０℃では、１００００サイクルでも破壊せず、ハンダのクラック進展は殆ど認められなかった。

本実施例ではモジュールに用いたハンダ３が、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の典型的な組成であるＳｎ−３Ａｇ−０.５Ｃｕであるが、他の組成として例えばＳｎ−１Ａｇ−０.５Ｃｕ、Ｓｎ−Ｃｕ系では、例えばＳｎ−０.７Ｃｕ等を用いることもできる。あるいは上記ハンダにＩｎ、Ｂｉ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｎｉ等を１種類以上微量添加した組成でも良い。

また、環境を考慮した高温系鉛フリーハンダである、Ｓｎ−Ｓｂ系のＳｎ−（５〜１０）Ｓｂ（融点：２３２℃〜２４０℃）を用いてモジュールを組み立て、他の基板にモジュールを実装する場合には、低温系ハンダとして、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｃｕ共晶系にＩｎを５〜１０％添加した低融点高信頼ハンダを用いて温度階層を持たせればよい。このようにすれば、機械的性質に優れ、比較的柔軟であり、温度分布の優れた炉を使用してｍａｘ２３０℃でのハンダ接続ができる。同様に低温系でさらに融点を下げられるハンダとして、Ｓｎ−９Ｚｎ（融点；１９９℃）もしくはＳｎ−９Ｚｎに微量のＩｎ、Ｂｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｇｅ、Ｎｉ等を１種類以上添加したものも適用できる。

図８、図９に本実施例のパワーモジュールの断面図を示す。パワー素子では大電流を流す必要からチップ当たり１０本レベルのφ３００μｍのＡｌ線を超音波ワイヤボンディング接続に比べ、放熱効果に優れたリードフレームが注目されている（例えば、池田他５；リードフレームハンダ接合と熱特性の検討；Mate．２００４，ｐ３７５）。本実施例のパワーモジュールは、Ａｌ線の代わりにＣｕリードフレーム等をＳｉチップ１にハンダ付けした点が、実施例１と異なる。

図８ではリードフレームの伸び剛性による影響が直接にハンダ付け部である素子部に及ぼさないために、リードフレームの伸縮を吸収するベローズ状の複数の折り曲げ部分を備えたベローズ型リードフレーム１７にした。このベローズ型リードフレーム１７は、無酸素Ｃｕをプレス圧延加工で型を形成後、アニールし軟化させた。Ｓｉチップ１のジャンクション部で発生する熱は、チップ下に伝導するだけでなく、熱容量のあるＳｉチップ１上のローズ型リードフレーム１７のＣｕブロック部で一旦均熱化され、リードフレームを伝わってセラミックス基板１０２、ベース基板４に伝導し放熱する。

本実施例では、セラミックス基板１０２の熱流路となっているチップ下ではない部分も、新たな熱流路になるため、効率の良い放熱ができる。Ｓｉチップ１とリードフレーム間は線膨張係数の差が大きいので、シリコーンゲル等で被覆しただけでは、ハンダ３の寿命が短く特性への影響が大きくなる。そこで、本実施例のモジュールでは、リードフレームが伸縮して熱応力を緩和できるベローズ部を備えたことで、Ｓｉチップ１上のハンダ３の接合部の寿命が向上し、特性への影響を小さくできる。本実施例のモジュールの構造で出力が大きなモジュールには、特にＣｕのリードフレーム、ＡｌＮ基板、Ｃｕのベース基板の組合せが特に好ましい。

図９は図８と同様に、リードフレームの伸び剛性を下げるためのリードフレームの変形例を示す。図９の折り曲げリードフレーム１９は、ハンダ３の接続部の間に折り曲げ部を備えた形状である。

リードフレーム方式ではＳｉチップ１への熱衝撃は緩和されるが、ジャンクション部に直接リードフレームがハンダ付けされるため、融点が低いハンダでは、ジャンクション部の温度がハンダ接合に伝わり、熱疲労劣化を解決しなければならない。そこで、本実施例では、実施例１から実施例４と同様の樹脂物性を有し、かつ、ガラス転移温度Ｔｇが１５０℃以上のエポキシ系樹脂１０でモジュールを封止して、ハンダの熱疲労劣化が少ない、高出力モジュールを得る。

リードフレームの材質は無酸素Ｃｕ以外に、柔らかい高純度Ａｌリード（ＮｉもしくはＮｉ／Ａｕフラッシュメッキ）、熱伝導率がＣｕ並みに優れ、線膨張係数が約６×１０^-6／℃であるＣｕ−Ｃ複合材（Ｃｕと高純度カーボングラファイトのナノレベルの粒径で作られた粉末もしくは繊維とを焼結した複合材。）等でもよい。このＣｕ−Ｃ複合材は、アルミナ並みの線膨張係数であり、かつ柔らかいことから、Ｓｉチップ１への応力の負担が少なく、樹脂で補強すると高い信頼性が確保できる。

鉛フリーハンダとして、高温のＳｎ−５Ｓｂ（融点：２３２℃〜２４０℃）を使用することで、パワーサイクルに対してもジャンクション部での温度上昇に対しての温度マージンを確保できる。さらに高い温度の対応には、２８０℃でも強度を確保できるＣｕ粒子混入Ｓｎ系ハンダ複合材、例えば特開２００２−２６１１０５号公報に記載のもの等を用いることができる。なお、チップへの負荷が少なく、耐力が小さいＳｎ−０.７Ｃｕ 、もしくはＳｎ−０.７ＣｕにＩｎを添加した系のハンダを用いてもよい。

実施例１の半導体パワーモジュールの断面図である。 実施例３のモジュールで、封止樹脂に配合するフィラーとゴムの配合率と断線の関係を示す図である。 実施例４のジュールの封止用樹脂の線膨張係数とチップ応力との関係や、封止用樹脂の線膨張係数とハンダ歪との関係のグラフである。 実施例４のモジュールのエポキシ系樹脂の線膨張係数に対する、Ｓｉチップの端部Ｂの応力と、ハンダ歪の関係のグラフである。 実施例４のモジュールの樹脂による変位とヤング率の関係のグラフである。 実施例６のモジュールの断面図である。 実施例７のモジュールの平面図と断面図である。 実施例８のモジュールの断面図である。 実施例８の別のモジュールの断面図である。

符号の説明

１…Ｓｉチップ、２…リード、３…ハンダ、４…ベース基板、５…メタライズ膜、６…電気回路、７、７′…溝、８…Ａｌ線、１０…エポキシ系樹脂、１５…電極、１７…ベローズ型リードフレーム、１９…折り曲げリードフレーム、１０１…樹脂、１０２…セラミックス基板、１０３…Ａｌ₂Ｏ₃基板、１１０…ケース、１１６…フェライト部材、１１７…金型、１１８…樹脂注入口、１１９…樹脂流出口。

Claims (7)

1. セラミックス絶縁基板と、該セラミックス絶縁基板の一方の面に配置した第１の電極と、該電極にハンダを介して接合したＳｉ半導体チップと、前記セラミックス絶縁基板の一方の面に配置した第２の電極と、該第２の電極にハンダを介して接合したリードとを備えた半導体パワーモジュールにおいて、
   前記セラミックス絶縁基板が、溶融したＡｌあるいは溶融したＡｌ合金をセラミックス絶縁基板の一方の面と該一方の面対向する他方の面に直接に接触させて凝固させて接合したＡｌ−セラミックス複合絶縁基板であり、
   前記Ｓｉ半導体チップと第１の電極とを接合するハンダが、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｓｂ系ハンダ、もしくはこれらにＮｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｇｅ，Ｉｎ，Ｂｉ，Ｚｎ等のいずれか一つ以上の元素を含む鉛フリーハンダであって、
   前記第１の電極と第２の電極とが、ワイヤボンデイング接続、もしくはテープ、リードフレームを介して接続され、
   前記セラミックス絶縁基板と、Ｓｉ半導体チップと、第１の電極と、Ｓｉ半導体チップと第１の電極とを接合するハンダとが、エポキシ系樹脂でポッテイングもしくはトランスファモールドで封止され、
   該エポキシ系樹脂の線膨張係数が１０×１０^-6〜４０×１０^-6／℃であり、該エポキシ系樹脂のヤング率が３〜２０ＧＰａであることを特徴とする半導体パワーモジュール。
2. 請求項１において、前記エポキシ系樹脂の線膨張係数が１４×１０^-6〜２４×１０^-6／℃であることを特徴とする半導体パワーモジュール。
3. 請求項１あるいは請求項２の何れかにおいて、前記エポキシ系樹脂が、シリコーン系の可撓化剤を１重量％〜１５重量％含むことを特徴とする半導体パワーモジュール。
4. 請求項１から請求項３の何れかにおいて、前記エポキシ系樹脂のガラス転移温度Ｔｇが１５０℃〜２５０℃であることを特徴とするパワーモジュール。
5. 請求項１から請求項４の何れかにおいて、前記Ｓｉ半導体チップの上面に前記エポキシ系樹脂を介してフェライト層を配置したことを特徴とする半導体パワーモジュール。
6. 請求項１において、前記Ａｌ−セラミックス複合絶縁基板のセラミックス基板が、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄の何れかであることを特徴とする半導体パワーモジュール。
7. 請求項６において、前記Ｓｉ半導体チップが、ＩＧＢＴあるいはパワーＭＯＳＦＥＴあるいはダイオードの何れかであることを特徴とする半導体パワーモジュール。
   
   

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