JP2007243118A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】鉛フリー半田で接合した半導体素子／絶縁基板間の半田接合部について、半田層に生じた熱劣化，亀裂を自己修復させてパワーサイクル耐性，信頼性の向上を図る。
【解決手段】絶縁基板２の銅回路パターン２ｂに半導体素子３を半田マウントした半導体装置において、半導体素子／銅回路パターン間の半田接合面域Ａを半導体チップの中央部下に対応する中央面部Ｂと、該中央面部を取り囲む外周面部Ｃとに二分した上で、中央面部Ｂを融点が半導体素子３の最高保証温度以下（例えば、１５０℃）である鉛フリー半田８を選択して接合し、外周面部Ｃは融点が半導体素子３の最高保証温度よりも高い鉛フリー半田９にて接合するようにし、具体的には接合面域のパターンに合わせて裁断した鉛フリー半田８，９の板半田を挟んで絶縁基板，半導体素子を重ね合わせ、この状態で鉛フリー半田９の融点以上の温度でリフローし、中央，外周面部を同時に半田接合する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、パワー用ＩＧＢＴモジュールなどを対象とする半導体装置に関し、詳しくは絶縁基板／半導体素子，さらには半導体素子／配線部材の間を接合する鉛フリー半田の実装構造に係わる。

頭記したＩＧＢＴモジュールを例に、その従来構造を図２に示す。図において、１は放熱用銅ベース、２はセラミック板２ａの上面，下面に銅回路パターン２ｂ，銅箔２ｃを成層して銅ベース１に搭載した絶縁基板、３，４はＩＧＢＴ，ＦＷＤの半導体素子、５は銅ベース１／絶縁基板の銅箔２ｃ，および絶縁基板の銅回路パターン２ｂ／半導体素子３，４の間を接合した半田接合層、６は銅ベース１の下面にサーマルコンパウンド７を挟んで伝熱的に接合し冷却体（ヒートシンク）であり、銅ベース１／銅箔２ｃ，および銅回路パターン２ｂ／半導体素子３，４の間を接合する半田材には板半田あるいはクリーム半田を使用し、リフロー法により接合して半田接合層５を形成している。なお、図２では半導体素子３の上面電極に接合した配線部材、モジュール外囲ケースなどは省略して描かれてない。

一方、最近では環境問題からＳｎ−Ｐｂ系の半田の代替として鉛フリー半田が採用されるようになっており、前記のＩＧＢＴモジュール（パワーモジュール）に適用する半田材としては、現在知られている各種組成の鉛フリー半田の中でも、取りわけ接合性（半田濡れ性），機械的特性，伝熱抵抗などの面で比較的バランスがよく、かつ製品への実績もあるＳｎ−Ａｇ系の鉛フリー半田が多く使われている（例えば、非特許文献１参照）。

また、絶縁基板２に半田マウントした半導体素子３（ＩＧＢＴ）の上面電極に配線部材としてヒートスプレッダを兼ねたリードフレームを半田接合し、半導体素子３の発生熱をリードフレームに逃がして発熱密度の集中を防ぐようにした構造も知られている（例えば、特許文献１参照）。
両角，他２名，「パワー半導体モジュールにおける信頼性設計技術」，富士時報，富士電機株式会社，平成１３年２月１０日，第７４巻，第２号，p１４５〜１４８ 特開２００５−１１６７０２号公報（第６頁、図５）

ところで、先記のようにＳｎ−Ａｇ系の鉛フリー半田にて半導体素子／絶縁基板間を接合した半導体モジュールについて、そのパワーサイクル寿命を明らかにするために行ったパワーサイクル試験（モジュールの実動作を模擬した断続通電試験）で半田接合部に発生した亀裂（欠陥）の進展形態を観察したところ、Ｐｂ系の半田とは亀裂発生の形態が異なりＳｎ−Ａｇ系の鉛フリー半田では、図３で表すように発熱密度が集中する半導体素子３の中央部下付近を起点としてほぼ同心円状に亀裂（符号Ｐで表す）が進展することが認められている。また、この亀裂の特徴は、半田層の厚さ方向に対して平行な縦割れ，または網目状を呈してＳｎの結晶粒界を選択的に進展している。このことから、Ｓｎ−Ａｇ系の鉛フリー半田では熱劣化（組織変化）によって亀裂が進行するものと想定される（非特許文献１のｐ１４７参照）。

前記のように、半導体素子と絶縁基板との間をＳｎ−Ａｇ系の鉛フリー半田で接合した半導体装置では、実使用時のヒートサイクルにより半導体素子の中央部下付近の半田接合層が熱劣化（組織変化）して亀裂，割れが生じ、これが原因で半導体素子／絶縁基板間の熱抵抗が増加して半導体素子のジャンクション温度（Tj）が動作を保証する最高保証温度(最大定格)を超えるようになって素子機能がダウンするおそれがあり、このことが製品のパワーサイクル寿命を縮める要因になっている。

また、先記の特許文献１に開示されているパッケージ構造の半導体装置においても、半導体素子の上面電極とリードフレームとの間を鉛フリー半田にて接合した場合には、その半田接合部に前記と同様な熱劣化による亀裂発生の欠陥が発生する。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は鉛フリー半田を適用した半導体素子／接合相手部材間の半田接合部について、実使用中に半導体素子の中央部付近を起点に発生する半田接合層の熱劣化，亀裂を巧みに自己修復させて、高いパワーサイクル耐性と信頼性の向上が図れるように改良した半導体装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば、半導体素子を絶縁基板にマウントして電気配線を施した半導体装置で、半導体素子の裏面および上面電極と接合相手部材との間を鉛フリー半田により接合したものにおいて、
半導体素子の裏面電極と絶縁基板の回路パターンとの間の半田接合面域を、半導体素子の中央部下に対応する中央面部と該中央面部を取り囲む外周面部とに分けた上で、その中央面部には融点が半導体素子の最高保証温度以下である鉛フリー半田により接合し、外周面部には融点が半導体素子の最高保証温度よりも高い鉛フリー半田により接合するものとする（請求項１）。

また、半導体素子の上面電極とその電極面に積層して接合する配線部材との間の半田接合部についても、前記と同様に半田接合面域を中央面部と該中央面部を取り囲む外周面部とに二分した上で、その中央面部には融点が半導体素子の最高保証温度以下である鉛フリー半田で接合し、外周面部には融点が半導体素子の最高保証温度よりも高い鉛フリー半田で接合する（請求項２）。

ここで、前記接合面域の中央面部に適用する半田にはＳｎ−Ｂｉ系またはＳｎ−Ｉｎ系の低融点の鉛フリー半田を、外周面部に適用する半田にはＳｎ−Ａｇ系，Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系，Ｓｎ−Ｃｕ系，Ｓｎ−Ｚｎ系，Ｓｎ−Ｓｂ系から選択した高融点の鉛フリー半田を用いるものとし（請求項３）、またその半田の形態としては、半田接合面域の中央面部，外周面部の各パターン形状に対応する板半田，もしくはクリーム半田を使用し、この半田を挟んで半導体素子と接合相手部材を重ねた上で高融点半田の融点以上の温度でリフロー接合するようにする（請求項４）。

前記構成のように、半導体素子と接合相手部材（絶縁基板，リードフレーム）との間の半田接合部について、その半田接合面域を中央面部と該中央面部を取り囲む外周面部とに二分した上で、その中央面部には融点が半導体素子の最高保証温度以下である鉛フリー半田で接合し、外周面部には融点が半導体素子の最高保証温度よりも高い鉛フリー半田で接合することにより、実使用時のヒートサイクルにより発生した半田接合層の熱劣化，亀裂が次記のような挙動で修復，再生される。

すなわち、パワーサイクルにより半導体素子の中央面部に対応する鉛フリー半田の接合層に亀裂が生じ、その亀裂の進展に伴い半田接合部の伝熱抵抗が増加して半導体素子のジャンクション温度(Tj)が最高保証温度付近まで上昇するようになると、中央面部の半田層（低融点の鉛フリー半田）は軟化，再溶融して半田組織に生じていた亀裂が消失する。そして、亀裂の消失により半田接合部の伝熱抵抗が当初の状態まで低下して半導体素子の温度が定常状態になると、一旦溶融した前記半田層は融点以下に戻って再凝固し、熱劣化，亀裂のない半田組織に再生されるようになる。

一方、半田接合面域の外周面部は高融点の鉛フリー半田で接合しているので、中央面部の半田層が再溶融した状態になっても、外周面部の半田は溶融することなく半導体素子／接合相手部材間を接合状態に保ち、同時にこの高融点の半田層が中央面部における低融点の半田層を周囲から封じ込めているので、再溶融した低融点の半田が半導体素子の外周側に漏出して濡れ広がる危惧は全くない。これにより半導体装置のパワーサイクル耐性，長期信頼性が大幅に向上する。

また、その半田接合工程では、前記接合面域の中央面部，外周面部のパターン形状に合わせて打ち抜き形成した板半田，あるいはクリーム半田を使用し、この半田を挟んで半導体素子と接合相手部材とを重ね合わせた上で高融点半田の融点以上の温度でリフロー接合することにより、同じリフロー工程で接合面域の中央面部および外周面部の半田接合を一括して同時に行えるようになる。

上記のように構成することにより、半田接合層の熱劣化，亀裂の進展を自己修復させてパワーサイクル寿命の長寿命化が図れる。

以下、本発明の実施の形態を図１（ａ）〜（ｃ）に示す実施例に基づいて説明する。なお、図示実施例の図は半導体素子３の下面電極と絶縁基板２の銅回路パターン２ｂとの間の半田接合部について模式的に表している。

すなわち、銅回路パターン２ｂと半導体素子３の裏面電極との間の半田接合部において、図示実施例では接合面域Ａを素子中央部の直下に対応する中央面部Ｂ（円形）と、該中央面部Ｂを取り囲む外周面部Ｃとに二分した上で、中央面部Ｂを融点が半導体素子３の最高保証温度（例えば、１５０℃）よりも低い鉛フリー半田８を選択して接合し、外周面部Ｃは融点が半導体素子３の最高保証温度よりも高い鉛フリー半田９にて接合する。

ここで、板半田を使用する場合には、図１（ｃ）のように前記中央面部Ｂのパターン形状（円形）に合わせて裁断したＳｎ−Ｂｉ系またはＳｎ−Ｉｎ系の低融点（融点が１５０℃以下）の鉛フリー半田８と、外周輪郭を半導体素子３の外形（方形状）に合わせ、板面中央に前記中央面部Ｂの形状に対応した穴９ａを打ち抜いて裁断したＳｎ−Ａｇ系，Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系，Ｓｎ−Ｃｕ系，Ｓｎ−Ｚｎ系，Ｓｎ−Ｓｂ系から選択した高融点の鉛フリー半田９とを用意し、この板半田を図示のように内外に組合せて銅回路パターン２ｂ上の所定位置に載せる。

一方、クリーム半田を使用する場合には、中央面部Ｂ，外周面部Ｃのパターン形状に対応したマスクを使ってクリーム半田を銅回路パターン２ｂに印刷する。なお、図示例では中央面部Ｂのパターン形状を円形としたが、これに限定されるものではなく、方形状あるいは多角形状としてもよい。

次に、前記のように回路パターン２ｂに配した鉛フリー半田８，９の上に半導体素子３を重ね合わせて保持した上で、この絶縁基板２，半導体素子３の仮組立体をリフロー炉に搬入し、高融点の鉛フリー半田９の融点を基準にした所定の炉内温度プロファイルでリフロー接合する。これにより、１回のリフロー工程で半導体素子の中央面部Ｂに配した低融点の鉛フリー半田８と外周面部Ｃに配した高融点の鉛フリー半田９のリフローが同時進行して、半導体素子３／銅回路パターン２ｂの間が半田接合される。なお、このリフロー工程では、低融点の鉛フリー半田８と高融点の鉛フリー半田９とが共に溶融状態となるため、その半田間の境界で半田組成の一部が拡散するようになるが、その拡散範囲に微小（高々１５０μｍ程度）であって接合強度，信頼性への影響は無視できることか確認されている。

また、実施例の図中には図示してないが、半導体素子３の上面電極にヒートスプレッダ，リードフレーム等の配線部材を半田接合する際にも、この半導体素子／配線部材間の接合面域を前記と同様に中央面部と外周面部に二分した上で、中央面部には融点が半導体素子の最高保証温度以下である鉛フリー半田で接合し、外周面部には融点が半導体素子の最高保証温度よりも高い鉛フリー半田で接合することにより、半田接合層の熱劣化，亀裂の進展を自己修復させてパワーサイクル寿命の長寿命化が図れる。

本発明の実施例による半導体素子／絶縁基板回路パターン間の半田接合部の模式図で、（ａ）は側視断面図、（ｂ）は（ａ）の矢視Ｘ−Ｘ断面図、（ｃ）は板半田を使用した場合の組合せパターンを表す図 本発明の実施対象となるＩＧＢＴモジュールの組立構造図 図２の半導体素子／絶縁基板間を接合したＳｎ−Ａｇ系の鉛フリー半田について、パワーサイクル試験により半田接合層に生じた亀裂の進展状況を模式的に表した図

符号の説明

２ 絶縁基板
２ｂ 銅回路パターン
３，４ 半導体素子
５ 半田接合層
８ 低融点の鉛フリー半田
９ 高融点の鉛フリー半田

Claims (4)

1. 半導体素子を絶縁基板上にマウントして配線した半導体装置であって、半導体素子の裏面および上面電極と接合相手部材との間を鉛フリー半田により接合したものにおいて、
   半導体素子の裏面電極と絶縁基板の回路パターンとの間の半田接合面域を、半導体素子の中央部下に対応する中央面部と該中央面部を取り囲む外周面部とに分けた上で、その中央面部には融点が半導体素子の最高保証温度以下である鉛フリー半田で接合し、外周面部には融点が半導体素子の最高保証温度よりも高い鉛フリー半田で接合したことを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置において、半導体素子の上面電極とその電極面に接合する配線部材との間の半田接合面域を中央面部と該中央面部を取り囲む外周面部とに二分した上で、その中央面部には融点が半導体素子の最高保証温度以下である鉛フリー半田で接合し、外周面部には融点が半導体素子の最高保証温度よりも高い鉛フリー半田で接合したことを特徴とする半導体装置。
3. 請求項１または２に記載の半導体装置において、接合面域の中央面部に適用する半田がＳｎ−Ｂｉ系またはＳｎ−Ｉｎ系の低融点の鉛フリー半田、外周面部に適用する半田がＳｎ−Ａｇ系，Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系，Ｓｎ−Ｃｕ系，Ｓｎ−Ｚｎ系，Ｓｎ−Ｓｂ系から選択した高融点の鉛フリー半田であることを特徴とする半導体装置。
4. 請求項１ないし３に記載の半導体装置において、低融点の鉛フリー半田および高融点の鉛フリー半田が、半田接合面域の中央面部，外周面部の各パターン形状に対応する板半田，もしくはクリーム半田であり、前記半田を挟んで半導体素子と接合相手部材を重ねた上で高融点半田の融点以上の温度でリフロー接合したことを特徴とする半導体装置。

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