JP2009038272A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子と金属電極層との間の熱応力や歪みを緩和する緩衝板を金属電極層と接合する半田層の信頼性が高い半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置１は、半導体素子２、金属電極層３および緩衝板４を備える。半導体素子２と緩衝板４、および金属層３と緩衝板４とは半田層５，６を介して接合する。緩衝板４の側面に、溝を形成する。溝の底面は半田で覆われ、溝に半田フィレット応力緩和構造が形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、パワー半導体素子を搭載した半導体装置に関する。

従来から、半田層に挟まれた応力緩衝板を介してパワー半導体素子を導電層に半田付けしたパワー半導体モジュールが知られている（たとえば、特許文献１参照）。
特開２００２−２３１８８３号公報

特許文献１に記載されているような従来のパワー半導体モジュールでは、応力緩衝板によって半田層に発生する熱歪みが小さくなり、半田層の寿命を長くすることができる。しかし、さらに半田層の寿命を長くし、半田層の信頼性を高めることが望まれている。

（１）請求項１の発明の半導体装置は、半導体素子と、半導体素子より発生する熱を伝導する金属電極層と、半導体素子と金属電極層との間の熱応力を緩和する緩衝板とを備え、緩衝板は、第１の主面において半導体素子と接合し、第２の主面において、半田層を介して金属電極層と接合し、緩衝板の外周縁に、第１の主面から第２の主面に貫通する溝を設け、溝の底面の少なくとも一部が半田層の半田で覆われていることを特徴とする。
（２）請求項２の発明は、請求項１に記載の半導体装置において、緩衝板は略多角形体であり、その角の部分に溝を形成したことを特徴とする。
（３）請求項３の発明は、請求項１または２に記載の半導体装置において、緩衝板は略多角形体であり、その辺の部分に溝を形成したことを特徴とする。
（４）請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置において、溝の角の部分を面取り加工またはフィレット加工したことを特徴とする。
（５）請求項５の発明は、請求項１または請求項２に記載の半導体装置において、溝の底面と第２の主面とのなす角が鈍角であることを特徴とする。

本発明によれば、緩衝板の外周縁に溝を設け、溝の底面の少なくとも一部が半田で覆われるようにした。その結果、半田接合部にかかる熱応力や歪みが分散され、半田層の信頼性が高くなる。

本発明の実施形態の半導体装置１について図１を参照して説明する。図１（ａ）は半導体装置１の斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図であり、図１（ｃ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。

半導体装置１は、半導体素子２、金属電極層３および緩衝板４を備える。半導体素子２と緩衝板４、および金属層３と緩衝板４とは半田層５，６を介して接合されている。半導体素子２は、ＩＧＢＴ（ Insulated Gate Bipolar Transistor ）、ＦＲＤ（Fast Recovery Diode ）などの発熱量の多い半導体素子（パワー半導体素子）であり、シリコン（Ｓｉ）などからなる。このような半導体素子２を備えた半導体装置１は電力変換装置などに用いられる。金属電極層３は、半導体素子２が発生した熱を伝導し外部へ放熱する。金属電極層３には、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）などの熱伝導率が高い金属が用いられる。半導体素子２の熱膨張係数は、金属電極層の３の熱膨張係数に比べて著しく小さい。このため、半導体素子２が発熱すると、半導体素子２と金属電極層３との間に熱応力や歪みが発生する。この熱応力や歪みは、半田層５，６のおけるクラック発生の原因となる。このような熱応力や歪みを緩和するために半導体素子２と金属電極層３との間に緩衝板４を設けている。緩衝板４として、半導体素子２の熱膨張係数と金属電極層３の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有し、熱伝導率の高いモリブデン銅（ＣｕＭｏ）やモリブデン（Ｍｏ）などが用いられる。

緩衝板４の斜視図を図２に示す。ここで、緩衝板４の半導体素子２との接合面を表主面４１、緩衝板４の金属電極層３との接合面を裏主面４２と呼ぶ。図２に示すように、緩衝板４は略矩形形状であり、緩衝板４には、表主面４１および裏主面４２に対する側面４３に、表主面４１から裏主面４２に貫通する溝４４，４５が形成される。溝４４，４５を形成した緩衝板４は、モリブデン銅やモリブデンなどの金属板を金型で打ち抜いて作製する。緩衝板４の略矩形形状の４隅に溝４４が形成され、辺に相当する部分に溝４５が形成される。

図１（ｂ）に示すように、半田層６の半田が緩衝板４の側面４３を覆わない場合がある。このような場合でも、図１（ｃ）に示すように、溝４５の底面４５ａは、半田層６の半田に覆われる。このように、半田層６の半田が、緩衝板４の裏主面４２のみならず、緩衝板４の溝４５の底面４５ａや側面４３などを覆う構造６１を、以下、半田フィレット応力緩和構造６１と呼ぶ。緩衝板４の側面４３に溝４４，４５を形成することによって、溝４４，４５に半田フィレット応力緩和構造６１を確実に形成することができる。

緩衝板４の側面４３に半田フィレット応力緩和構造６１が形成されないが、溝４４，４５に半田フィレット応力緩和構造６１が形成される理由を、図３を参照して説明する。容器３１に液体３２を入れ、その液体３２に、間隔の狭い平行板３３，３４の端を浸漬すると、毛細管現象により液体３２は平行板間を上昇する。この液面が上昇する高さｈは次式で算出することができる。

（１）
γ：表面張力、θ：液体接触角、ρ：液体の密度、ｇ：重力加速度、ｄ：平行板の間隔

これより、半田を溶融する工程において、溝４４，４５を構成する面による毛細管現象により、溝４４，４５において半田の液面が上昇し、溝４４，４５に半田フィレット応力緩和構造６１が形成される。上記数式１を用いて計算すると、溝の間隔が２ｍｍの場合、表面張力により半田は１０ｍｍ上昇する。したがって、緩衝板４の厚さが１０ｍｍ以下（たとえば２ｍｍ）の場合、確実に溝４４，４５に半田フィレット応力緩和構造６１が形成される。

以上の実施形態による半導体装置１は次のような作用効果を奏する。
（１）緩衝板４の外周縁である側面４３に溝４４，４５を設けた。したがって、溝４４，４５内の面を半田が覆う半田フィレット応力緩和構造６１が確実に形成されるので、半田層６の信頼性が高くなる。半田層６に発生する熱応力や歪みは、緩衝板４の裏主面４２と側面４３とで構成される角の部分の半田接合部に集中する。半田フィレット応力緩和構造６１が形成されると、このような半田接合部にかかる熱応力や歪みが分散されるので、半田層６の信頼性が高くなる。

従来、緩衝板４に形成された半田フィレット応力緩和構造６１と、緩衝板４と金属電極層とを接続する半田層６の信頼性との相関は解明されていなかった。しかし、発明者は、研究の結果、緩衝板４に半田フィレット応力緩和構造６１が形成されると、緩衝板４と金属電極層とを接合する半田層６の信頼性が高くなることを見出した。ここで、緩衝板４に半田フィレット応力緩和構造を確実に形成すれば半田層６の信頼性は高くなるものの、半田フィレット応力緩和構造を確実に形成することが困難であるという課題が発生した。本発明の実施形態による半導体装置１は、以上のような、上述した発明者の知見に伴い発生した課題を解決し、半田層６の信頼性を一層高めたものである。

また、溝４４，４５を形成した位置に半田フィレット応力緩和構造６１を形成することができるので、所望の位置に半田フィレット応力緩和構造６１を形成することができる。一方、緩衝板４の側面４３に溝４４，４５を形成しないと、半田フィレット応力緩和構造６１が形成されなかったり、側面４３の一部の偏った位置にしか半田フィレット応力緩和構造６１が形成されなかったりして、確実に形成することが困難である。

（２）略矩形形状の緩衝板４に溝４４，４５を形成しないと、略矩形形状の緩衝板４の４隅に半田層６の熱応力や歪みが集中する。しかし、緩衝板４の角の部分に溝４４を設けたので、半田層６の熱応力や歪みは分散され、半田層６の信頼性が高くなる。

以上の実施形態による半導体装置１を次のように変形することができる。
（１）緩衝板４の形状は矩形形状であったが、多角形形状でもよい。また、図４に示すように、多角形形状（たとえば、矩形形状）の緩衝板４Ａの角に相当する部分のみに溝４４を設けるようにしてもよい。半田層６の応力は多角形形状の角の頂点に集中するので、角に溝４４を形成することによってその応力が分散され、半田層６の信頼性が高くなる。

（２）緩衝板４の溝４４，４５の底面４５ａの全部を半田で覆う半田フィレット応力緩和構造６１であったが、図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、緩衝板４の溝４４，４５の底面４５ａの一部を半田で覆う半田フィレット応力緩和構造６２でもよい。この場合も、半田接合部に発生する熱応力や歪みが分散され、半田層６の信頼性が高くなる。上式（１）より、溝の間隔によって半田が緩衝板４の溝４４，４５の底面４５ａの一部を覆う場合がある。また、半田接合を行うときの熱処理温度で半田の表面張力や液体接触角などが変わるので、半田が緩衝板４の溝４４，４５の底面４５ａの一部を覆う場合がある。

（３）図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、緩衝板４の側面４３においても半田フィレット応力緩和構造６３が形成されるようにしてもよい。緩衝板４の側面４３の半田接合部にかかる熱応力や歪みが分散され、半田層６の信頼性が高くなる。半田接合を行うときの熱処理温度で緩衝板４の側面４３に対する半田の濡れ性が変わるので、半田が緩衝板４の緩衝板４の側面４３を覆う場合がある。

（４）図７（ａ）に示すように、溝４４，４５の角を平面的に面取り加工してもよい。半田接合部の熱応力や歪みは角の部分に集中するので、半田接合部の熱応力や歪みの集中を緩和することができる。また、図７（ｂ）に示すように、溝４４，４５の角が曲面になるように溝４４，４５の角をフィレット加工してもよい。この場合も、半田接合部の熱応力や歪みを緩和することができる。

（５）溝を構成する面の少なくとも一部が確実に半田で覆われれば、緩衝板４の側面４３に形成する溝４４，４５の底面は緩衝板４の主面４１，４２に対して垂直面であることに限定されない。たとえば、図７（ｃ）に示すように、垂直面以外の傾斜面であってもよい。緩衝板４の裏主面４２と溝の底面とのなす角を鈍角にすることによって、緩衝板４の裏主面４２と溝の底面とで構成される角の部分の熱応力や歪みの集中を緩和することができる。

（６）溝を構成する面の少なくとも一部が確実に半田で覆われれば、緩衝板４の側面４３に形成する溝４４，４５の断面形状は、略コの字形状に限定されない。たとえば、図７（ｄ）に示すように、円弧形状であってもよい。

（７）緩衝板４に形成される溝４４，４５の幅は、半田を溶融する工程において、毛細管現象により溝４４，４５における半田の液面が上昇する幅であれば、限定されない。

本発明は、その特徴的構成を有していれば、以上説明した実施の形態になんら限定されない。

図１（ａ）は本発明の実施形態の半導体装置の斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図であり、図１（ｃ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。 本発明の実施形態の緩衝板の斜視図である。 緩衝板の溝に半田フィレット応力緩和構造が形成される原理を説明するための図である。 本発明の実施形態の緩衝板の変形例の斜視図である。 図５（ａ）は緩衝板の溝に形成する半田フィレット応力緩和構造の変形例を説明するための半導体装置の斜視図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＡ−Ａ線断面図であり、図５（ｃ）は図５（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。 図６（ａ）は緩衝板の側面に半田フィレット応力緩和構造を形成した半導体装置の斜視図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＡ−Ａ線断面図であり、図６（ｃ）は図６（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。 図７（ａ）は角を面取り加工した緩衝板の溝を説明するための図であり、図７（ｂ）は角をフィレット加工した緩衝板の溝を説明するための図であり、図７（ｃ）は底面を傾斜面にした緩衝板の溝を説明するための図であり、図７（ｄ）は断面形状が円弧形状である緩衝板の溝を説明するための図である。

符号の説明

１ 半導体装置 ２ 半導体素子
３ 金属電極層 ４，４Ａ 緩衝板
５，６ 半田層素子 ４１ 表主面
４２ 裏主面 ４３ 側面
４４，４５ 溝孔 ４５ａ 底面
６１，６２，６３ 半田フィレット応力緩和構造

Claims (5)

1. 半導体素子と、
   前記半導体素子より発生する熱を伝導する金属電極層と、
   前記半導体素子と前記金属電極層との間の熱応力を緩和する緩衝板とを備え、
   前記緩衝板は、第１の主面において前記半導体素子と接合し、第２の主面において、半田層を介して前記金属電極層と接合し、
   前記緩衝板の外周縁に、前記第１の主面から前記第２の主面に貫通する溝を設け、前記溝の底面の少なくとも一部が前記半田層の半田で覆われている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、
   前記緩衝板は略多角形体であり、その角の部分に前記溝を形成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、
   前記緩衝板は略多角形体であり、その辺の部分に前記溝を形成したことを特徴とする半導体装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置において、
   前記溝の角の部分を面取り加工またはフィレット加工したことを特徴とする半導体装置。
5. 請求項１または請求項２に記載の半導体装置において、
   前記溝の底面と前記第２の主面とのなす角が鈍角であることを特徴とする半導体装置。
   

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