JP2006339174A - 半導体装置 - Google Patents

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克明 斎藤
Yoshihiko Koike
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Abstract

【課題】
温度サイクルに対して半田接合部の信頼性が高いパワー半導体モジュールを提供すること。
【解決手段】
本発明のパワー半導体モジュールでは、絶縁基板上の金属回路パターンと金属端子間の半田接合部を、金属回路パターン上に接合して所定の厚さにした高融点半田の上を低融点半田で覆い、この低融点半田で金属端子を接合する。さらに、金属ベースと金属回路パターンとの間も、同様に、高融点半田で所定の厚さを確保し、低融点半田で高融点半田を被覆して接合し、半田接合部の信頼性を高めた。
【選択図】図１

Description

本発明は、実使用時に想定される様々なモードの繰り返し温度サイクルに対して高い信頼性を持つ半導体装置に関する。
従来からＩＧＢＴ、ダイオード、ＧＴＯ、トランジスタ等のパワー半導体素子を絶縁容器内に封入したパワー半導体モジュールが知られている。これらの素子はその耐圧や電流容量に応じて、各種インバータ装置などに適用されている。中でもＩＧＢＴは大電流の高周波動作が可能であり、電圧制御素子のため制御が容易であるなどの利点を有している。また安全性や実装上の簡便性から、多くの場合はモジュールの金属放熱板と電流通流端子部分が絶縁基板によって電気的に絶縁された、内部絶縁型の構造となっている。
内部絶縁型のパワー半導体モジュールでは、絶縁基板の両面にＣｕやＡｌ等で回路パターンを形成する。また必要に応じてＮｉその他の金属でメッキをして半田付け性を向上している。回路パターン上には半導体素子の他に、電流をパワー半導体モジュール外部に取り出すための金属端子が接合される。この接合にはワイヤボンディングが用いられることもあるが、半田付けされることも多い。また絶縁基板を搭載する金属放熱板と絶縁基板下面の回路パターンも多くの場合半田付けで接合されている。
これらの半田は製品の実使用時に発生する様々なモードの温度サイクルによって主に応力の最も高い外周部から亀裂が進展していき、最終的には破断に至る。従って半田の寿命は製品の信頼性にとって極めて重要である。
半田にかかる応力を低減するためには、半田接合部にある程度の厚みを持たせる必要がある。そのための従来技術の一例を図３で説明すると、絶縁基板２０１の両面に金属回路パターン２０２、２０３があり、金属回路パターン２０２と金属端子４０１を接合する半田３０３の中や、金属回路パターン２０３と金属ベース５とを接合する半田３０２の中にＮｉボール６を入れておくことが、特許文献１に記載されている。
特開２００２−２３１８８３号公報（図１６、（００５７）段落の記載。）
特許文献１に記載の方法では、半田３０３、３０２の溶融時にＮｉボール６が半田内を自由に移動するため、Ｎｉボール６の配置が局在化して接合面全体に均一に入らない場合がある。その結果、半田３０２と半田３０３の厚みばらつきが大きくなり、温度サイクルによる亀裂進展に対して半導体モジュールとしての信頼性が低くなる問題がある。
本発明の目的は、半田接合部の信頼性が高い半導体装置を提供することである。
本発明は、融点の異なる２種類の半田を用い、高融点の半田で半田厚みを確保し、高融点の半田の上を低融点の半田で被覆して回路パターンと端子あるいは半導体素子とを所定の厚さで接合する。
本発明の半導体装置は、高融点半田により半田の厚みを均一に確保できるため、温度サイクルによる半田の疲労破壊寿命を向上し、しかも寿命のばらつきを少なくすることができる。
本発明のパワー半導体モジュールでは、絶縁基板上の金属回路パターンと金属端子間の半田接合部を、金属回路パターン上に接合して所定の厚さにした高融点半田の上を低融点半田で覆いこの低融点半田で金属端子を接合する。通常金属回路パターン上には、半導体素子が半田で接合されるので、その際、高融点半田を先に接合し必要な半田厚みを確保し、次にこの高融点半田を覆うようにして、低融点半田で金属端子を接続する。本発明のパワー半導体モジュールでは、低融点半田の端部から高融点半田が露出していないので、ヒートサイクルを受けても高融点半田と低融点半田との接合面に亀裂が生じない。このように本発明によればプロセスを増やさずに信頼性の高い半田接合が実現できる。以下本発明の詳細を、図面を用いて説明する。
図４は本実施例の電力半導体モジュールであるＩＧＢＴモジュールの一部の断面図を示す。図４に示すように、モジュール内部での絶縁性を確保するため、電力半導体素子である、ＩＧＢＴやダイオードなどの半導体素子１は、絶縁基板２０１上に接合された金属回路パターン２０２と半田３０１によって接続される。モジュールの電流容量を大きくするためには、この半導体素子１を同一の絶縁基板２０１上に複数個搭載して、アルミあるいはアルミ合金製のワイヤ７で並列接続するか、複数個の絶縁基板２０１をモジュール内部で並列接続する。絶縁基板２０１は下面の金属回路パターン２０３と半田３０２により金属ベース５上に接合される。モジュール内部の回路と外部取出しの金属端子４０１はフタを構成する樹脂部４０２と一体で成型された端子ブロック４０３として、金属回路パターン２０２と半田３０３で接続する。
モジュールの外周を構成する樹脂ケース８は、接着剤９０１によって金属ベース５と接合し、モジュール内部の半導体素子１、ワイヤ７、金属端子４０１間の絶縁を確保するためにシリコーンゲル１０が注入されている。シリコーンゲル１０のモジュール内での膨張を吸収するためモジュール内部上面に空間層１１を設ける。モジュール内部の気密性を確保するために端子ブロック４０３の樹脂部４０２と樹脂ケース８との間を接着剤９０２で密封してある。このように構成されたＩＧＢＴモジュールは実使用時において、通流により自己発熱し、各部の熱膨張係数差によるひずみが生じる。発熱と放冷の繰り返しによる温度サイクルによって、特に半田やワイヤ等の接合部分にひずみが生じる。
図４のＡ部を拡大して図１に示す。図１に示すように、本実施例のＩＧＢＴモジュールの金属端子４０１と金属回路パターン２０２との間には、金属回路パターン２０２の上に形成した高融点半田３０３−１部分と、この高融点半田３０３−１部分の上に形成した低融点半田３０３−２部分とがあり、低融点半田３０３−２の端部から高融点半田３０３−１が露出していないので、ヒートサイクルを受けても高融点半田３０３−１と低融点半田３０３−２との接合面に亀裂が生じない。
本実施例のＩＧＢＴモジュールでは、まず金属回路パターン２０２に高融点半田３０３−１を図１に示すように接合させる。このとき、高融点半田３０３−１の厚さを半田接合部に必要な所定の厚さにしておく。その後、低融点半田３０３−２によって金属端子４０１を金属回路パターン２０２に高融点半田３０３−１を介して接合させる。低融点半田３０３−２は、金属端子４０１の形状のばらつきを吸収するためにペースト状であって、かつ高融点半田３０３−１の表面にできた酸化膜を除去しながら接合するために、フラックス入りの半田を使用する。低融点半田３０３−２の接合温度を高融点半田３０３−１の固相線温度以下にしておけば、高融点半田３０３−１の表面は溶融した低融点半田３０３−２と融合して良好な接合を形成する一方で、高融点半田３０３−１全体の再溶融は起こらないので、初めに高融点半田３０３−１を接合したときの半田厚みがほとんどそのまま確保される。本実施例のＩＧＢＴモジュールでは、高融点半田３０３−１を図１に示すように低融点半田３０３−２で覆い、高融点半田３０３−１の端部が低融点半田３０３−２から露出していない。本実施例のＩＧＢＴモジュールでは、高融点半田３０３−１の厚さを１００μｍ〜３００μｍの厚さ、好ましくは１８０μｍ〜２５０μｍの厚さにし、その上に低融点半田３０３−２を配置した。このとき、高融点半田３０３−１の凸部を覆っている低融点半田３０３−２の厚さは１０μｍ〜４０μｍであり、金属回路パターン２０２と金属端子４０１との間隔が、高融点半田３０３−１の凸部の高さで決まっている。
本実施例のＩＧＢＴモジュールでは、このように高融点半田３０３−１を低融点半田３０３−２で被覆しているので、熱疲労による亀裂が高融点半田３０３−１を低融点半田３０３−２との界面には発生せず、発生する亀裂は、低融点半田３０３−２が金属回路パターン２０２に直に接している端部で僅かに見られるだけであった。
金属端子４０１と金属回路パターン２０２の間の半田厚みｔのばらつきをＮｉボールを半田に分散させる従来技術と比較した説明図を図５に示す。本実施例による半田厚みｔの標準偏差は従来技術の１／３以下に低減できる。また加速劣化試験におけるモジュール破壊までの試験サイクル数を従来技術と比較した結果を図６に示す。本実施例によれば、試験したモジュールの半数が破壊する５０％破壊確率となるサイクル数は１.５ 倍程度に向上し、かつ破壊サイクル数の標準偏差も半減する。
本実施例のモジュールでは、製造プロセスの許容温度ばらつきを考慮すると、２種類の半田、すなわち高融点半田３０３−１と低融点半田３０３−２との融点の差が１０℃以上あることが望ましい。このような半田の組合せの例には以下のものがある。
（１）高融点半田
（ａ）Ｐｂ−Ｓｎ系では、１９ｗｔ％＞Ｓｎ＞０.１ｗｔ％、さらに微量のＩｎ、Ａｇ、Ｓｂ、Ｇｅなどの成分が１つ以上含有されていても良い。
（ｂ）Ｐｂ−Ｉｎ系では、１０ｗｔ％＞Ｉｎ＞０.１ｗｔ％ 、ただしＩｎ≧５ｗｔ％が望ましい。さらに微量のＳｎ、Ａｇ、Ｓｂ、Ｇｅなどの成分が１つ以上含有されていても良い。
（ｃ）Ｐｂ−Ａｇ系では、４ｗｔ％＞Ａｇ＞０.１ｗｔ％、さらに微量のＳｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｇｅなどの成分が１つ以上含有されていても良い。
（ｄ）Ｐｂ−Ｓｂ系では、１０ｗｔ％＞Ｓｂ＞０.１ｗｔ％ 、さらに微量のＳｎ、Ｉｎ、Ａｇ、Ｇｅなどの成分が１つ以上含有されていても良い。
（２）低融点半田
（ａ）Ｓｎ−Ｐｂ共晶系。Ｓｎ−３７Ｐｂ、Ｓｎ−５０Ｐｂ等。
（ｂ）Ｓｎ系半田。Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｓｂ系、Ｓｎ−Ｉｎ系等。
本実施例では、半導体素子１が、ＩＧＢＴやダイオードの場合を説明したが、パワーＭＯＳＦＥＴが半導体素子１であっても同様である。
本実施例を図２を用いて説明する。図２は図１と同様に図４のＡ部を拡大したものである。本実施例のＩＧＢＴモジュールでは、実施例１の半田接合部に加え、金属ベース５と金属回路パターン２０３との間を、高融点半田３０２−１と低融点半田３０２−２とを用いて半田接合した。本実施例のＩＧＢＴモジュールでは、まず金属ベース５に高融点半田３０２−１を接合させ、その後低融点半田３０２−２によって金属回路パターン２０３を接合させる。その際の接合温度を高融点半田３０２−１の固相線温度以下にしておけば、高融点半田３０２−１の表面は溶融した低融点半田３０２−２と融合して良好な接合を形成する一方で、高融点半田３０２−１全体の再溶融は起こらないので、初めに高融点半田３０２−１を接合したときの半田厚みがほとんどそのまま確保されるので、所定の厚さで半田接合される。
本実施例の高融点半田３０２−１と低融点半田３０２−２との組合せは実施例１と同様である。また、予想される半田厚みｔのばらつき低減と、破壊寿命の向上及び破壊寿命ばらつき低減についても実施例１と同様である。
本実施例のＩＧＢＴモジュールは、実施例１の図４に示した半導体素子１と金属回路パターン２０２との間を、金属回路パターン２０２の上に形成した高融点半田部分と、この高融点半田部分の上に形成した低融点半田部分で接続し、この低融点半田端部から高融点半田が露出しないように接続した。これ以外は、実施例１や実施例２と同様である。本実施例でも実施例１や実施例２と同様に信頼性が高い半田接合部を備えたＩＧＢＴモジュールを実現できた。
実施例１のＩＧＢＴモジュールの半田接合部の説明図である。 実施例２のＩＧＢＴモジュールの半田接合部の説明図である。 従来技術の半田接合部の説明図である。 実施例１のＩＧＢＴモジュールの断面構造を示す説明図である。 実施例１のＩＧＢＴモジュールの半田厚みばらつきを従来技術と比較した説明図である。 実施例１のＩＧＢＴモジュールの加速試験での破壊確率を従来技術と比較した説明図である。
符号の説明
１…半導体素子、５…金属ベース、６…Ｎｉボール、７…ワイヤ、８…樹脂ケース、１０…シリコーンゲル、１１…空間層、２０１…絶縁基板、２０２、２０３…金属回路パターン、３０１、３０２、３０３…半田、３０３−１…高融点半田、３０３−２…低融点半田、４０１…金属端子、４０２…樹脂部、４０３…端子ブロック、９０１、９０２…接着剤。

Claims (14)

  1. 表面及び裏面に電極を有する半導体素子と、該半導体素子を搭載する絶縁基板と、該絶縁基板に配置した金属回路パターンと、該金属回路パターンに半田部材を介して接合された金属端子とを有する電力半導体装置において、
    前記金属端子を金属回路パターンに接合する半田部材が融点の異なる複数の半田の積層体であって、融点の高い半田部材が、融点の低い半田部材で被覆されていることを特徴とする電力半導体装置。
  2. 請求項１に記載の電力半導体装置において、
    前記金属回路パターン側の半田部材の融点が、金属端子側の半田部材の融点より高いことを特徴とする電力半導体装置。
  3. 請求項２に記載の電力半導体装置において、
    前記金属回路パターン側の融点の高い半田部材が、前記金属端子側に向けて凸形状を成していることを特徴とする電力半導体装置。
  4. 請求項１に記載の電力半導体装置において、
    前記半導体素子が前記金属回路パターンに別の半田部材を介して接合しており、該別の半田部材も融点が異なる複数の半田層を積層し、融点の高い半田部材が、融点の低い半田部材で被覆されていることを特徴とする電力半導体装置。
  5. 請求項１に記載の電力半導体装置において、
    前記半導体素子がＩＧＢＴあるいはパワーＭＯＳＦＥＴの何れかであることを特徴とする電力半導体装置。
  6. 表面及び裏面に電極を有する半導体素子と、該半導体素子を一方の面に搭載する絶縁基板と、該絶縁基板の一方の面に配置した金属回路パターンと、該金属回路パターンに半田部材を介して接合された金属端子と、前記絶縁基板の他方の面に配置した別の金属回路パターンと、該別の金属回路パターンに半田部材を介して接合された金属ベースとを有する電力半導体装置において、
    前記金属ベースを前記別の金属回路パターンに接合する半田部材が融点の異なる複数の半田層を積層してあり、融点の高い半田部材が、融点の低い半田部材で被覆されていることを特徴とする電力半導体装置。
  7. 請求項６に記載の電力半導体装置において、
    前記金属ベース側の半田部材の融点が、前記別の金属回路パターン側の半田部材の融点より高いことを特徴とする電力半導体装置。
  8. 請求項７に記載の電力半導体装置において、
    前記金属ベース側の融点が高い半田部材が、前記別の金属回路パターン側に向けて凸形状を成していることを特徴とする電力半導体装置。
  9. 請求項６に記載の電力半導体装置において、
    前記半導体素子が前記金属回路パターンに別の半田部材を介して接合しており、該別の半田部材も融点が異なる複数の半田層を積層し、融点の高い半田部材が、融点の低い半田部材で被覆されていることを特徴とする電力半導体装置。
  10. 請求項６に記載の電力半導体装置において、
    前記半導体素子がＩＧＢＴあるいはパワーＭＯＳＦＥＴの何れかであることを特徴とする電力半導体装置。
  11. 表面及び裏面に電極を有する半導体素子と、該半導体素子を搭載する絶縁基板と、該絶縁基板に配置した金属回路パターンと、該金属回路パターンに半田部材を介して接合された金属端子とを有する電力半導体装置の製造方法において、
    前記金属回路パターンに第１の半田部材を接合する第１の接合工程と、
    該第１の接合工程より後で該第１の半田部材に第２の半田部材を接合する第２の接合工程とを含み、
    前記第１の半田部材の融点が前記第２の半田部材の融点より高く、前記第１の半田部材が前記第２の半田部材で被覆されることを特徴とする電力半導体装置の製造方法。
  12. 請求項１１に記載の電力半導体装置の製造方法において、
    前記第１の接合工程の温度が、前記第２の接合工程の温度より高いことを特徴とする電力半導体の製造方法。
  13. 請求項１１に記載の電力半導体装置の製造方法において、前記第２の接合工程の温度が、前記第１の半田部材の固相線温度以下であることを特徴とする半導体装置。
  14. 請求項１１に記載の電力半導体装置の製造方法において、
    前記半導体素子がＩＧＢＴあるいはパワーＭＯＳＦＥＴの何れかであることを特徴とする電力半導体装置の製造方法。
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