JP2008042041A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電力変換装置,スイッチング電源などに適用するパワー半導体デバイスを対象とした半導体装置に関し、詳しくはそのパッケージ構造に係わる。 The present invention relates to a semiconductor device intended for a power semiconductor device applied to a power conversion device, a switching power supply, etc., and more particularly to a package structure thereof.
昨今では、頭記の電力変換装置,スイッチング電源などに適用するパワー半導体デバイスの大容量化が進み、これに伴いパワー半導体デバイスに搭載する半導体チップ(例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)など)は高い電流密度で通電使用されることから、放熱対策およびパワーサイクル耐量の長寿命化を図ることが重要課題となっている。 In recent years, the capacity of power semiconductor devices applied to the power converters and switching power supplies mentioned above has increased, and as a result, semiconductor chips (for example, IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) mounted on power semiconductor devices) Since energization and use is performed at a high current density, it is important to improve the heat dissipation and extend the life of power cycle resistance.
すなわち、IGBTなどのパワー半導体デバイスでは、半導体チップの接合部温度Tjに上限保証温度(例えば125℃)が規定されているのに対して、放熱用ベース(銅ベース板)に絶縁基板を介して半導体チップをマウントした片面冷却方式では、半導体チップの上面側がパッケージ内に充填した封止樹脂で封止されているためにチップの上面側からの放熱は殆ど期待できない。このために半導体チップの大電流化に伴い発熱密度が増大すると、半導体チップの上面電極に接続する配線リードとしてアルミワイヤをボンディングした在来の配線構造では、チップの接合部温度を上限保証温度以下に抑えることが困難であるばかりか、アルミワイヤのジュール発熱も加わってワイヤ溶断のおそれもあってパワーサイクル耐量,信頼性の低下が懸念される。 That is, in a power semiconductor device such as an IGBT, an upper limit guaranteed temperature (for example, 125 ° C.) is defined for the junction temperature Tj of the semiconductor chip, whereas the heat dissipation base (copper base plate) is interposed via an insulating substrate. In the single-sided cooling method in which the semiconductor chip is mounted, the upper surface side of the semiconductor chip is sealed with the sealing resin filled in the package, so that heat radiation from the upper surface side of the chip can hardly be expected. For this reason, when the heat generation density increases with the increase in current of the semiconductor chip, in the conventional wiring structure in which an aluminum wire is bonded as a wiring lead connected to the upper surface electrode of the semiconductor chip, the junction temperature of the chip is below the upper limit guaranteed temperature. This is not only difficult to suppress, but also due to the joule heat generation of the aluminum wire, there is a risk of wire fusing, and there is a concern that power cycle resistance and reliability will be reduced.
特に、最近では半導体素子に耐熱温度の高い(350℃)化合物半導体(GaAg,InPなど)を用いて高速動作化した半導体デバイスの開発が進められていてその放熱対策がますます重要性を増している。
一方、半導体チップの上面に放熱経路を確保してチップ全体の放熱性を高める手段として、前記のアルミワイヤに代えて断面積の大きなフレーム状の配線リード材(リードフレーム)を半導体チップの上面主電極に半田接合し、このリードフレームを伝熱経路として半導体チップの発生熱をチップ上面側から絶縁基板を介して金属ベースに放熱せるようにした構成のものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
In particular, the development of high-speed semiconductor devices that use high-heat-resistant (350 ° C) compound semiconductors (GaAg, InP, etc.) as semiconductor elements has been underway recently, and countermeasures for heat dissipation are becoming increasingly important. Yes.
On the other hand, instead of the aluminum wire, a frame-like wiring lead material (lead frame) having a large cross-sectional area is used instead of the aluminum wire as a means for securing a heat dissipation path on the upper surface of the semiconductor chip. There is known a configuration in which the heat generated by the semiconductor chip is radiated from the upper surface side of the chip to the metal base via the insulating substrate by soldering to the electrode and using this lead frame as a heat transfer path (for example, Patent Documents) 1).
次に、IGBTの半導体デバイスを例に、従来におけるパッケージ構造を図4に示す。図4において、1は放熱用銅ベース、2は絶縁基板であり、この絶縁基板2は、窒化珪素,窒化ホウ素,窒化アルミなどのセラミックス基板2aの表,裏両面に銅箔を直接接合して導体パターン2b〜2dを形成したDCB(Direct Copper Bonding)基板である。また、3は絶縁基板2の上に形成した導体パターン2bにマウントしたパワー半導体チップ(IGBT)、4は半導体チップ3の上面電極(IGBTのエミッタ電極)と絶縁基板2の導体パターン2cとの間に配線した配線リード材(両端にブロック状の接合脚部を形成したリードフレーム)、5は銅ベース1に結合したパッケージの外囲樹脂ケース、6は外部導出端子、7は外部導出端子6と絶縁基板2の上面側導体パターン2bとの間に配線したボンディングワイヤ、8はロウ付けした部品間の接合部であり、銅ベース1/絶縁基板2,絶縁基板2/半導体チップ3,半導体チップ3/リード材4,リード材4/絶縁基板2の間が例えばSnAgCuなどの半田で接合されている。なお、半導体チップ3を湿気,塵などから保護し、表面電極の酸化,腐食を防止するために、外囲樹脂ケース5の内部にはシリコーンゲルなどの封止樹脂を注入して半導体チップ3の周域を封止している。また、図示していなが前記銅ベース1の裏面には放熱フィン(ヒートシンク)を取付けて放熱性能を高めるようにしている。
Next, a conventional package structure is shown in FIG. 4 by taking an IGBT semiconductor device as an example. In FIG. 4, 1 is a copper base for heat dissipation, and 2 is an insulating substrate. This
そのほか、半導体チップの上面主電極に良伝熱性の金属導体ブロックを半田接合し、これをヒートスプレッダとして半導体チップの局部的な温度上昇を緩和させるようにした構成も知られている(例えば、特許文献2参照)。
ところで、前記のように半導体チップ3の主面に配線リード材4(ないし前記のヒートスプレッダ)を重ね合わせて両者の間を半田接合(面接合)したパッケージの組立構造で、実使用時における半導体チップの動作温度が高まる(例えば200℃以上)と部品間を半田付けした接合部の接合界面に金属間化合物が成長し、半田が溶融しない場合でも再結晶化が進んで結晶組織が劣化する。また、半導体チップ3(Si)と配線リード材4(Cu,Alなど)との熱膨張差から、ヒートサイクルに伴い半田接合部に発生する熱応力がその接合面方向に剪断応力として繰り返し作用する。このために、ロウ接合層8には前記の結晶組織の劣化,熱応力による疲労でクラックが発生するなどの欠陥が生じて接合の信頼性が低下する問題がある。
In addition, a configuration is also known in which a heat conductive metal conductor block is soldered to the upper surface main electrode of a semiconductor chip, and this is used as a heat spreader to alleviate a local temperature rise of the semiconductor chip (for example, Patent Documents). 2).
By the way, as described above, the assembly structure of the package in which the wiring lead material 4 (or the heat spreader) is superimposed on the main surface of the
一方、半導体チップと配線リード材との熱膨張差に起因して半田接合層の接合界面に作用する熱応力の緩和策として、ヤング率が半田よりも低い樹脂材の緩衝層に、該緩衝層を貫通してポスト電極を分散形成した構造の熱応力緩和層を半導体チップの主面電極と配線リード材との間に介挿した上で、そのポスト電極の両端をそれぞれ半導体チップの主電極面,配線リード材に接合し、該ポスト電極を介して半導体チップ/配線リード材間に導電経路を確保するとともに、半導体チップとリードフレームとの熱膨張係数差に起因して半田接合層に作用する熱応力を前記樹脂緩衝層で吸収緩和させるようにした半導体装置の構造が知られている(例えば、特許文献3参照)。 On the other hand, as a measure for mitigating thermal stress acting on the bonding interface of the solder bonding layer due to the difference in thermal expansion between the semiconductor chip and the wiring lead material, the buffer layer is formed on the buffer layer of a resin material having a Young's modulus lower than that of solder. A thermal stress relaxation layer having a structure in which post electrodes are formed so as to penetrate through are inserted between the main surface electrode of the semiconductor chip and the wiring lead material, and both ends of the post electrode are respectively connected to the main electrode surface of the semiconductor chip. , Bonded to the wiring lead material, securing a conductive path between the semiconductor chip / wiring lead material via the post electrode, and acting on the solder bonding layer due to the difference in thermal expansion coefficient between the semiconductor chip and the lead frame A structure of a semiconductor device in which thermal stress is absorbed and relaxed by the resin buffer layer is known (see, for example, Patent Document 3).
そのほか、半導体チップを搭載する放熱部材(ベース)として、線膨張係数の小さなモリブデン,タングステンなどを基材とする多孔質の金属焼結体に伝熱性の高い銅を含浸させるとともに、半導体チップの搭載面域には伝熱性の高い銅または銅合金の貫通金属体を埋設し、この放熱部材に半導体チップをロウ付けしてマウントした組立構造も知られている(例えば、特許文献4参照)。
ところで、半導体チップとその上面主電極に接合する配線リード材(リードフレーム)との熱膨張差に起因して接合部に作用する熱応力の緩和策として、特許文献3に開示されている構成では、応力緩衝層が非導電性の樹脂層とこの樹脂層を貫通するポスト電極で形成されていることから、その通電,伝熱経路がポスト電極の部分に限定される。このために、発熱量の大きなパワー半導体デバイスでは、ハイパワー動作の高い信頼性を確保させることが困難である。
By the way, in the configuration disclosed in
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、半導体チップとその上面側主電極に接続する配線リード材との間に通電性と高い伝熱性を確保しつつ、半導体チップと配線リード材との熱膨張差に起因する熱応力を効果的に低減して高い放熱性と高温動作の信頼性向上が図れるように改良した半導体装置のパッケージ構造を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and while ensuring electrical conductivity and high heat conductivity between a semiconductor chip and a wiring lead material connected to the upper surface side main electrode, the semiconductor chip and the wiring lead material An object of the present invention is to provide an improved package structure of a semiconductor device that can effectively reduce the thermal stress caused by the difference in thermal expansion of the semiconductor device so that high heat dissipation and high temperature operation reliability can be achieved.
上記目的を達成するために、本発明によれば、放熱用金属ベースに伝熱接合した絶縁基板の上に半導体チップ、および該半導体チップの上面主電極に接続する配線リード材を搭載し、かつその周域を樹脂封止してなる半導体装置において、
炭素基材または金属基材に、これら基材よりも融点が低い低融点金属を浸透分散させて複合化した複合材からなる熱応力緩衝部材を、前記半導体チップと前記配線リード材との間に介挿して接合する(請求項1)ものとし、具体的には前記熱応力緩衝部材,およびその接合構造を次記のような態様で構成する。
(1)前記熱応力緩衝部材は、前記半導体チップおよび配線リード材に接合される天板部と、前記絶縁基板上の導体パターンに接合される脚部を有する箱型形状となし、パッケージの組立状態で該熱応力緩衝部材と前記絶縁基板との間に絶縁性の樹脂を充填して半導体チップを封止する(請求項2)。
(2)前記熱応力緩衝部材には、該熱応力緩衝部材の天板部を貫通し前記半導体チップと前記配線リード材との間を接続する導体ポストを設ける(請求項3)。
In order to achieve the above object, according to the present invention, a semiconductor chip and a wiring lead material connected to an upper surface main electrode of the semiconductor chip are mounted on an insulating substrate heat-transfer bonded to a metal base for heat dissipation, and In the semiconductor device formed by resin-sealing the peripheral area,
A thermal stress buffer member made of a composite material obtained by infiltrating and dispersing a low melting point metal having a melting point lower than that of a base material into a carbon base material or a metal base material is interposed between the semiconductor chip and the wiring lead material. In this case, the thermal stress buffer member and the joining structure thereof are configured in the following manner.
(1) The thermal stress buffer member has a box shape having a top plate portion joined to the semiconductor chip and the wiring lead material, and a leg portion joined to the conductor pattern on the insulating substrate, and assembly of the package In this state, an insulating resin is filled between the thermal stress buffer member and the insulating substrate to seal the semiconductor chip.
(2) The thermal stress buffer member is provided with a conductor post that passes through the top plate portion of the thermal stress buffer member and connects the semiconductor chip and the wiring lead material.
また、前記構成になる半導体装置の製造方法として、本発明によれば、炭素基材または金属基材に、これら基材よりも融点が低い低融点金属を浸透分散させて複合化した熱応力緩衝部材を構成し、該熱応力緩衝部材を前記半導体チップと前記配線リード材との間に介挿して接合するようにし(請求項4)、さらにこの熱応力緩衝部材に対して次記のような方法で導体ポストを形成し、半導体チップ,絶縁基板,配線リード材との接合を行うようにすることかできる。
(1)前記熱応力緩衝部材の基材に貫通孔を穿孔しておき、該基材に前記の低融点金属を浸透分散させて複合化する際に、前記貫通孔にも前記低融点金属を充填して前記半導体チップと前記配線リード材との間を接続するための導体ポストを形成する(請求項5)。
(2)前記熱応力緩衝部材を半導体チップに接合する際に、前記基材に前記低融点金属を浸透分散させて複合化させるとともに、前記低融点金属にて熱応力緩衝部材と半導体チップとを同時に接合させる(請求項6)。
(3)前記熱応力緩衝部材は、前記半導体チップに接合される天板部と前記絶縁基板上の導体パターンに接合される脚部を有し、該熱応力緩衝部材の基材に浸透分散させた前記低融点金属にて熱応力緩衝部材の天板部と前記半導体チップとの間、および前記応力緩衝部材の脚部と前記絶縁基板上の導体パターンとの間をそれぞれ接合させる(請求項7)。
(4)前記熱応力緩衝部材には半導体チップとの接合面域から外れた位置に樹脂注入孔を形成しておき、該樹脂注入孔を通じて前記熱応力緩衝部材と前記絶縁基板との間に絶縁性の樹脂を注入し、該樹脂により半導体チップを封止する(請求項8)。
In addition, as a method for manufacturing a semiconductor device having the above-described structure, according to the present invention, a thermal stress buffer obtained by compounding a carbon base material or a metal base material by infiltrating and dispersing a low melting point metal having a melting point lower than those of the base material. And a thermal stress buffer member interposed between the semiconductor chip and the wiring lead material (Claim 4), and the thermal stress buffer member as described below. A conductor post can be formed by a method, and a semiconductor chip, an insulating substrate, and a wiring lead material can be joined.
(1) When a through hole is drilled in the base material of the thermal stress buffer member and the low melting point metal is infiltrated and dispersed in the base material, the low melting point metal is also put into the through hole. A conductor post for filling and connecting between the semiconductor chip and the wiring lead material is formed.
(2) When joining the thermal stress buffer member to a semiconductor chip, the low melting point metal is infiltrated and dispersed into the base material to be combined, and the thermal stress buffer member and the semiconductor chip are combined with the low melting point metal. They are joined simultaneously (Claim 6).
(3) The thermal stress buffer member has a top plate portion bonded to the semiconductor chip and a leg portion bonded to the conductor pattern on the insulating substrate, and is permeated and dispersed in the base material of the thermal stress buffer member. Further, the low melting point metal is used to join the top portion of the thermal stress buffer member and the semiconductor chip, and the leg portion of the stress buffer member and the conductor pattern on the insulating substrate, respectively. ).
(4) A resin injection hole is formed in the thermal stress buffer member at a position deviating from a bonding surface area with the semiconductor chip, and insulation is provided between the thermal stress buffer member and the insulating substrate through the resin injection hole. Resin is injected, and the semiconductor chip is sealed with the resin.
上記した組立構造の半導体装置およびその製造方法によれば、次記の効果を奏する。
(1)絶縁基板上にマウントした半導体チップの上面主電極と配線リード材との間に前記した複合材の熱応力緩衝部材を介挿し、該熱応力緩衝部材と半導体チップおよび配線リード材との間を接合することにより、半導体チップと配線リード材との間にハイパワー動作に必要な通電,伝熱経路を確保しつつ、半導体チップと配線リード材との熱膨張差に起因して部品間の接合部に作用する熱応力を効果的に緩和できる。また、この熱応力緩衝部材は半導体チップに対しヒートスプレッダとして機能し、半導体チップの局部的な発熱集中を防ぐこともできる。
According to the semiconductor device having the above-described assembly structure and the manufacturing method thereof, the following effects can be obtained.
(1) The above-mentioned composite thermal stress buffer member is interposed between the upper surface main electrode of the semiconductor chip mounted on the insulating substrate and the wiring lead material, and the thermal stress buffer member, the semiconductor chip and the wiring lead material By joining the gaps between the components due to the difference in thermal expansion between the semiconductor chip and the wiring lead material while securing the energization and heat transfer paths necessary for high power operation between the semiconductor chip and the wiring lead material It is possible to effectively relieve the thermal stress acting on the joint. Further, this thermal stress buffer member functions as a heat spreader for the semiconductor chip, and can also prevent local concentration of heat generation of the semiconductor chip.
ここで、配線リード材などに用いられる金属(Cu,Al,Cu−Al合金など)に比べてヤング率が低い炭素基材(黒鉛)の焼結体を母材として、これに基材よりも融点の低い金属(Cu,Al,Cu−Al合金など)を浸透分散させた複合材で熱応力緩衝部材を構成することにより、半導体チップ/配線リード材の熱膨張差に起因する熱応力を緩衝部材が吸収して部品間の接合部に作用する熱応力を効果的に緩和できる。 Here, a sintered body of a carbon base material (graphite) having a Young's modulus lower than that of a metal (Cu, Al, Cu-Al alloy, etc.) used for a wiring lead material is used as a base material. The thermal stress buffer member is composed of a composite material in which a metal having a low melting point (Cu, Al, Cu-Al alloy, etc.) is dispersed and dispersed, thereby buffering the thermal stress caused by the difference in thermal expansion of the semiconductor chip / wiring lead material. It is possible to effectively relieve the thermal stress that the member absorbs and acts on the joint between the parts.
また、配線リード材などに用いられる金属に比べて線膨張係数が小さな低熱膨張金属基材低熱膨張金属(Mo,W,SiCなど)を基材とする焼結体を母材として、これに基材よりも融点の低い金属(Cu,Al,Cu−Al合金など)を浸透分散させた複合材で熱応力緩衝部材を構成することにより、半導体チップ/緩衝板,緩衝板/配線リード材の間の熱膨張差が縮小して、部品間の接合部に作用する熱応力を低減できる。これにより高い導電性と放熱性を確保してハイパワーな半導体装置の信頼性向上が図れる。
(2)前記の熱応力緩衝部材の形状を箱型形状として、その天板部を半導体チップの上面主電極に接合した上で、周縁の脚部を絶縁基板に接合したことにより、半導体チップの上面側から伝熱した熱を熱応力緩衝部材から絶縁基板を経て放熱用金属ベース(ヒートシンク)に逃がすことができてチップ上面側からの放熱性が向上する。また、箱型形状の内部に封止樹脂を充填して半導体チップを封止することで、半導体チップの表面電極に生じる放電,酸化による腐食劣化を防ぐとともに、半導体チップ/熱応力緩衝部材間の接合部の自由端に生じる歪み集中を封止樹脂で吸収緩和させることができる。
(3)さらに、本発明の製造方法において、熱応力緩衝部材の基材に貫通孔を穿孔しておき、該基材に前記の低融点金属を浸透分散させて複合化する際に、前記貫通孔にも前記低融点金属を充填させることで、半導体チップと配線リード材との間を接続するための導体ポストを同時に形成することができる。加えて、この熱応力緩衝部材を半導体チップに接合する際に、前記のように熱応力緩衝部材の基材に低融点金属を浸透分散させるようにすれば、熱応力緩衝部材の複合化と半導体チップとの接合を同時に行うことができて半導体装置の組立工程数削減化が図れる。
In addition, a low thermal expansion metal base material having a low coefficient of linear expansion compared to the metal used for the wiring lead material, etc. is based on a sintered body based on a low thermal expansion metal (Mo, W, SiC, etc.) as a base material. By forming a thermal stress buffer member with a composite material in which a metal having a melting point lower than that of the material (Cu, Al, Cu—Al alloy, etc.) is permeated and dispersed, the semiconductor chip / buffer plate, buffer plate / wiring lead material Thus, the thermal stress acting on the joint between the parts can be reduced. As a result, high conductivity and heat dissipation can be ensured and the reliability of a high-power semiconductor device can be improved.
(2) The shape of the thermal stress buffer member is a box shape, the top plate portion is bonded to the upper surface main electrode of the semiconductor chip, and the peripheral leg portion is bonded to the insulating substrate. The heat transferred from the upper surface side can be released from the thermal stress buffer member through the insulating substrate to the heat radiating metal base (heat sink), and the heat dissipation from the chip upper surface side is improved. In addition, by sealing the semiconductor chip by filling the inside of the box shape with a sealing resin, corrosion deterioration due to discharge and oxidation occurring on the surface electrode of the semiconductor chip is prevented, and between the semiconductor chip and the thermal stress buffer member The strain concentration generated at the free end of the joint can be absorbed and relaxed by the sealing resin.
(3) Furthermore, in the manufacturing method of the present invention, when the through hole is drilled in the base material of the thermal stress buffer member and the low melting point metal is infiltrated and dispersed in the base material, the penetration is made. By filling the hole with the low melting point metal, a conductor post for connecting the semiconductor chip and the wiring lead material can be formed at the same time. In addition, when joining the thermal stress buffer member to the semiconductor chip, if the low melting point metal is permeated and dispersed in the base material of the thermal stress buffer member as described above, the composite of the thermal stress buffer member and the semiconductor Bonding with the chip can be performed at the same time, and the number of assembly steps of the semiconductor device can be reduced.
以下、本発明の実施の形態を図1〜図3に示す実施例に基づいて説明する。なお、図1は半導体装置の組立構造を表す断面図、図2は図1における要部構造の分解斜視図、図3は半導体チップ(IGBT素子)のゲート電極の配線に関する応用実施例を示すものであり、図4と対応する部材には同じ符号を付してその機能説明は省略する。
図1において、放熱用金属ベース1をヒートシンクとして、その上に伝熱接合した絶縁基板2の上面側に分割形成した導体パターンには、半導体チップ(IGBT素子)3、半導体チップ3の上面主電極に接続する配線リード材5、および半導体チップ3と配線リード材5との間に介挿した熱応力緩衝部材9が個別にマウントされている。ここで、半導体チップ3/熱応力緩衝部材9の間,および熱応力緩衝部材9/配線リード材4の間を後記のような方法で接合し、半導体チップ3に対する上面主電極(エミッタ電極)の通電経路,およびチップ上面側からの放熱経路を形成している。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described below based on the examples shown in FIGS. 1 is a cross-sectional view showing an assembly structure of a semiconductor device, FIG. 2 is an exploded perspective view of the main structure in FIG. 1, and FIG. 3 shows an application example relating to wiring of a gate electrode of a semiconductor chip (IGBT element). The members corresponding to those in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals, and the functional description thereof is omitted.
In FIG. 1, a semiconductor chip (IGBT element) 3 and an upper surface main electrode of the
また、熱応力緩衝部材9は詳細を後記するように半導体チップ3を包囲する箱型形状になり、その内方には封止樹脂12を充填して半導体チップ3を封止し、さらに熱応力緩衝部材9を取り囲んで外囲ケース5の内方に注入した封止樹脂13でその外周域を封止している。
次に、上記した組立構造の各部詳細について説明する。まず、金属ベース1は裏面側に放熱フィン1aを形成したCu,Alなどの金属体で、その上面に絶縁基板2が伝熱結合されている。なお、図示例の金属ベース1は、半導体チップ3,熱応力緩衝部材9をマウントする中央板部と、配線リード材4をマウントする外周枠部とに二分割して半導体チップ3の発熱が外周枠部側に直接伝熱するのを防ぐようにした上で、その裏面側に形成した放熱フィン1aが外囲ケース5の底壁5aを貫通して外部に突き出すように配置されており、さらに中央板部には冷媒流路1bを形成して半導体チップ3から伝熱して来る熱の放熱性を高めるようにしている。
Further, the thermal
Next, details of each part of the assembly structure described above will be described. First, the
一方、金属ベース1の上に載置した絶縁基板2は、その絶縁層が窒化珪素,窒化ホウ素,窒化アルミニウムなどのセラミックで、その上面側に分割形成した導体パターン2b,2cは、半導体チップ3と熱膨張率が均衡する金属系複合材を銀ロウ付けなどして形成するか、線膨張率の比較的高いCu,Al,Agなどをパターンニングした上に線膨張係数の小さなW,Moを厚膜状にスパッタコートして形成している。なお、絶縁基板2の裏面に形成した導体パターンは銀ロウ,アルミ系ロウなどの高温ロウ材で金属ベース1と接合して伝熱的に一体化しており、そのロウ接合部を符号10で表す。
On the other hand, the insulating
また、配線リード材4は、図2で示すように平角導体(Cu)を逆U字形に屈曲形成したもので、その両端の脚部が前記した金属ベース1の外周枠部に絶縁基板2を介してロウ付けされており、この位置で配線リード材4の脚部と外部導出端子6との間がボンディングワイヤ7で接続されている。なお、図示例の配線リード材4には上方に起立して封止樹脂13の外方に露呈する放熱フィン4aを形成してパッケージ上面側からの放熱性を高めるようにしている。
Further, the
次に、熱応力緩衝部材9の詳細構造について述べる。すなわち、熱応力緩衝部材9は、配線リード材4などに用いられる金属(Cu,Al,Cu−Al合金など)に比べてヤング率が低い炭素基材(黒鉛),または線膨張係数が小さな低熱膨張金属基材(Mo,W,SiCなど)の多孔質な焼結体に、前記の基材よりも融点の低い金属(Cu,Al,Sn,Ag,これら金属の合金など)を浸透分散させた複合材で構成されている。ここで、基材に浸透分散させる金属としては、高い導電性と高い伝熱性を有するものが望ましい。すなわち、浸透分散させる金属が基材となる材料に比べて導電性が高ければ、通電時の電気抵抗を基材単体で用いる場合に比べて低くすることができ、また伝熱性が高ければ、通電時に半導体チップ3が発する熱を放熱させるのに有利である。
Next, the detailed structure of the thermal
また、図2で示すように、熱応力緩衝部材9は半導体チップ3の上面および周囲を包囲するように天板部と周囲側壁で構成された箱型形状になり、その周縁脚部が絶縁基板2に形成した導体パターン2cに銀ロウ,アルミ系ロウ材などの高温ロウ材で接合されている。なお、そのロウ接合部を図1の符号10で示す。
さらに、箱型形状になる前記熱応力緩衝部材9について、半導体チップ3の上面主電極(エミッタ電極)3aと接合する天板部には、金属材の導体ポスト(ポスト状電極)9aが天板部を貫通して分散形成されている。ここで導体ポスト9aに用いる金属は、導電性,伝熱性の一方もしくは双方が前記基材に浸透分散された金属の導電性,伝熱性と同等以上のものが望ましい。
Further, as shown in FIG. 2, the thermal
Further, with respect to the thermal
この導体ポスト9aを形成するには、例えば前記炭素基材もしくは前記焼結体の所定箇所(半導体チップ3のエミッタ電極との接合面域)にあらかじめ貫通孔を穿孔しておく。そして、前記炭素基材もしくは前記焼結体に金属を浸透分散させることにより、前記貫通孔に金属が充填れて導体ポスト9aが同時に形成される。
また、熱応力緩衝部材9の天板部上面には、前記導体ポスト9aの端面を含めて全域に導体層9bをパターン形成しており、さらに半導体チップ3との接合面域から外れた側方位置には封止樹脂12を注入するための樹脂注入孔9cを開口している。なお、側壁面には半導体チップ3のゲート電極3bと外部導出端子6との間を接続するボンディングワイヤ7aの通し穴9dを開口しておく。
In order to form the
Further, on the top surface of the top portion of the thermal
そして、組立工程では熱応力緩衝部材9の天板部と半導体チップ3の上面主電極3aとの間を銀ロウ,アルミ系ロウなどの高温ロウ材で接合する。なお、ロウ付けする代わりに最近注目されている金属ナノ粒子ペーストを用いて接合してもよい。また、熱応力緩衝部材9の天板部上面にはその全面域に導体層9bをパターン形成した上で、その導体層9bの表面にAu,Ag,Alなどを材料とする小径(数10μm程度)なバンプ11を分散形成しておく。そして、熱応力緩衝部材9の上に配線リード材4を重ねた状態で前記バンプ11とリード材4とを超音波接合するか、もしくは側方から接合部にレーザー光を照射し、局部加熱して接合する。
In the assembly process, the top plate portion of the thermal
なお、熱応力緩衝部材9に導体ポスト9aを形成する方法としては、炭素基材,金属基材を焼結する以前の前駆体(プリフォーム材)の状態で導体ポスト9aの形成領域に多数の貫通穴を分散形成しておき、焼結後に行う前記低融点金属(フィラー)の浸透分散工程で同時に前記貫通穴に金属を含浸させ導体ポスト9aを形成することかできる。もしくは、基材の焼結体に前記の低融点金属を浸透分散させた後に導体ポスト9aの貫通穴を穿孔しておき、この熱応力緩衝部材9を半導体チップ3に接合する際に高温ロウ材を前記貫通穴に浸透させて導体ポスト9aを形成すると同時に、この導体ポスト9aを半導体チップ3の上面主電極3aに接合することもできる。
In addition, as a method of forming the
また、半導体チップ3との接合後には、熱応力緩衝部材9の天板部に穿孔した樹脂注入穴9cを通じて半導体チップ3の周域に封止樹脂12を注入する。この封止樹脂12は、耐熱性を確保するためにPEI(ポリエーテルイミド),PAI(ポリアミイミド),PI(ポリイミド)などの高耐熱性エンジニアリングプラスチックが好ましい。この封止樹脂12の充填により、樹脂層が半導体チップ3を保護してチップ表面からの放電,および上面主電極の酸化腐食を防止するとともに、半導体チップ3/熱応力緩衝部材9間を接合したロウ接合部の周縁自由端に生じる歪の集中を分散緩和させることができる。なお、熱応力緩衝部材9を取り囲んで外囲ケース5の内方に充填した封止樹脂13は、前記した封止樹脂12に比べて耐熱温度の低い樹脂でよい。
Further, after joining with the
上記の組立構造により、半導体チップ3と配線リード材(Cu)との間に介挿した熱応力緩衝部材9が次記のように機能し、半導体チップ3とリード材4との大きな熱膨張差による部品間接合部の熱応力を軽減する。
すなわち、熱応力緩衝板9を、配線リード材(Cu)4に比べてヤング率が低い炭素基材(黒鉛)の焼結体を母材とした複合材で構成すれば、半導体チップ3/配線リード材4の熱膨張差に起因する熱応力を低ヤング率の熱応力緩衝部材9が吸収してロウ接合部に作用する熱応力を緩和する。また、熱応力緩衝部材9を、配線リード材(Cu)4に比べて線膨張係数が小さい低熱膨張金属(Mo,W,SiCなど)の焼結体を母材とした複合材で構成すれば、半導体チップ3/熱応力緩衝部材9,および熱応力緩衝部材9/配線リード材4の間の熱膨張差が縮小し、この熱膨張差に起因して部品間のロウ付け接合部に作用する熱応力を低減してヒートサイクル耐性が向上する。しかも、熱応力緩衝部材9の基材(多孔質焼結体)には前記した良導電性,良伝熱性の低融点金属が浸透分散され、さらに半導体チップ3との間の接合面域には導体ポスト9aが形成されている。これにより、半導体チップ3とリード材4との間に高い導電路と高い放熱経路が確保されとともに、熱応力緩衝部材9が半導体チップ3に対するヒートスプレッダとして機能してチップの局部的な温度上昇を緩和できる。
With the above assembly structure, the thermal
That is, if the thermal
また、熱応力緩衝部材9および配線リード材4はその脚部が絶縁基板2に接合されており、該絶縁基板2を介して金属ベース1と伝熱的に結合されている。これにより、半導体チップ3の上面側から熱応力緩衝部材9,配線リード材4に伝熱した熱は停滞なく金属ベース1に伝熱してここから外部に熱放散される。加えて配線リード材4の上面に放熱フィン4aを形成しておくことで、上面側からの放熱性がより一層向上する。
Further, the leg portions of the thermal
なお、半導体装置を設置する周囲環境の制約から配線リード材5の放熱フィン4aを風冷できないような場合には、放熱フィン4aの相互間に水冷パイプなどの冷媒流路を圧入して液冷することも可能である。この場合には通電路となる配線リード材4と冷媒流路との間を電気的に絶縁するために、放熱フィン4aの表面にはセラミック,樹脂などの絶縁材をコーティングしておくようにするのがよい。
If the
また、以上述べた本発明による実施例の半導体装置は、図1に示した組立構造に限定されるものではなく、細部の構造において様々な変更が可能である。
例えば、図1の構造においては、半導体チップ3のゲート端子3bから引出したボンディングワイヤ7aを熱応力緩衝部材9の側壁に開口した穴9dを通じて外部導出端子6に接続するようにしているが、熱応力緩衝部材9に穴9dを穿孔せずに、図3で示すようにゲート端子3bに接続したボンディングワイヤを7aと7bとに分割した上で、ボンディングワイヤ7aを熱応力緩衝部材9の内側で絶縁基板の導体パターン2cに接合し、他方の分割ボンディングワイヤ7bを熱応力緩衝部材9の外側で絶縁基板2の導体パターン2cと外部導出端子6との間に接続してもよい。
Further, the semiconductor device of the embodiment according to the present invention described above is not limited to the assembly structure shown in FIG. 1, and various modifications can be made in the detailed structure.
For example, in the structure of FIG. 1, the
また、放熱用金属ベース1についても、放熱性に厳しい条件が課せられなければ、図示例のように半導体チップ2と熱応力緩衝部材9の脚部を搭載する中央板部と、配線リード材4の脚部を搭載する外周枠部とに分割せずに一枚板で構成してもよい。
As for the heat radiating
1 放熱用金属ベース
1a 放熱フィン
1b 冷媒流路
2 絶縁基板
2b,2c 上面側の導体パターン
3 半導体チップ
3a 上面側主電極
4 配線リード材
4a 放熱フィン
5 外囲ケース
6 外部導出端子
9 熱応力緩衝部材
9a 導体ポスト
9b 導体パターン
9c 樹脂注入穴
10 ロウ付け接合部
11 バンプ
12 封止樹脂(内部側)
13 封止樹脂(外部側)
DESCRIPTION OF
13 Sealing resin (external side)
Claims (8)
炭素基材または金属基材に、これら基材よりも融点が低い低融点金属を浸透分散させて複合化した複合材からなる熱応力緩衝部材を、前記半導体チップと前記配線リード材との間に介挿して接合したことを特徴とする半導体装置。 In a semiconductor device in which a semiconductor chip and a wiring lead material connected to an upper surface main electrode of the semiconductor chip are mounted on an insulating substrate heat-transfer bonded to a heat radiating metal base, and the peripheral area thereof is resin-sealed.
A thermal stress buffer member made of a composite material obtained by infiltrating and dispersing a low melting point metal having a melting point lower than that of a base material into a carbon base material or a metal base material is interposed between the semiconductor chip and the wiring lead material. A semiconductor device characterized by being inserted and joined.
前記熱応力緩衝部材は、前記半導体チップおよび配線リード材に接合される天板部と、前記絶縁基板上の導体パターンに接合される脚部を有する箱型形状になり、該熱応力緩衝部材と前記絶縁基板との間に絶縁性の樹脂を充填して半導体チップを封止したことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The thermal stress buffer member has a box shape having a top plate portion bonded to the semiconductor chip and the wiring lead material, and a leg portion bonded to a conductor pattern on the insulating substrate, and the thermal stress buffer member; A semiconductor device, wherein an insulating resin is filled between the insulating substrate and a semiconductor chip is sealed.
前記熱応力緩衝部材は、該熱応力緩衝部材を貫通し前記半導体チップと前記配線リード材との間を接続する導体ポストを有することを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The thermal stress buffer member includes a conductor post that penetrates the thermal stress buffer member and connects the semiconductor chip and the wiring lead material.
炭素基材または金属基材に、これら基材よりも融点が低い低融点金属を浸透分散させて複合化した熱応力緩衝部材を構成し、該熱応力緩衝部材を前記半導体チップと前記配線リード材との間に介挿して接合することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Manufacturing of a semiconductor device in which a semiconductor chip and a wiring lead material connected to an upper surface main electrode of the semiconductor chip are mounted on an insulating substrate thermally conductively bonded to a heat radiating metal base, and the peripheral area thereof is resin-sealed In the method
A thermal stress buffer member is formed by infiltrating and dispersing a low melting point metal having a melting point lower than that of the base material into a carbon base material or a metal base material, and the thermal stress buffer member is constituted by the semiconductor chip and the wiring lead material. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記熱応力緩衝部材の基材に貫通孔を穿孔しておき、該基材に前記の低融点金属を浸透分散させて複合化する際に、前記貫通孔にも前記低融点金属を充填して前記半導体チップと前記配線リード材との間を接続するための導体ポストを形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 4,
When a through hole is drilled in the base material of the thermal stress buffer member and the low melting point metal is infiltrated and dispersed in the base material, the through hole is filled with the low melting point metal. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a conductor post for connecting between the semiconductor chip and the wiring lead material.
前記熱応力緩衝部材を半導体チップに接合する際に、前記基材に前記低融点金属を浸透分散させて複合化させ、同時にこの低融点金属にて熱応力緩衝部材と半導体チップとを接合することを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 4 or 5,
When bonding the thermal stress buffer member to the semiconductor chip, the low melting point metal is infiltrated and dispersed into the base material to be combined, and at the same time, the thermal stress buffer member and the semiconductor chip are bonded with the low melting point metal. A method of manufacturing a semiconductor device.
前記熱応力緩衝部材は、前記半導体チップに接合される天板部と前記絶縁基板上の導体パターンに接合される脚部を有し、該熱応力緩衝部材の基材に浸透分散させた前記低融点金属にて熱応力緩衝部材の天板部と前記半導体チップとの間、および前記応力緩衝部材の脚部と前記絶縁基板上の導体パターンとの間をそれぞれ接合することを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 6,
The thermal stress buffer member includes a top plate portion bonded to the semiconductor chip and a leg portion bonded to a conductor pattern on the insulating substrate, and the low-temperature stress buffer member is permeated and dispersed in a base material of the thermal stress buffer member. A semiconductor device characterized in that a melting point metal is used to join a top plate portion of a thermal stress buffer member and the semiconductor chip, and a leg portion of the stress buffer member and a conductor pattern on the insulating substrate, respectively. Manufacturing method.
前記熱応力緩衝部材には半導体チップとの接合面域から外れた位置に樹脂注入孔を形成しておき、該樹脂注入孔を通じて前記熱応力緩衝部材と前記絶縁基板との間に絶縁性の樹脂を注入し、該樹脂により半導体チップを封止することを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 7,
In the thermal stress buffer member, a resin injection hole is formed at a position deviated from the bonding surface area with the semiconductor chip, and an insulating resin is interposed between the thermal stress buffer member and the insulating substrate through the resin injection hole. And a semiconductor chip is sealed with the resin.
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