JP2009094293A

JP2009094293A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2009094293A
Application number: JP2007263628A
Authority: JP
Inventors: Hideki Toshima; 秀樹戸嶋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-10-09
Filing date: 2007-10-09
Publication date: 2009-04-30

Abstract

【課題】通電効率を低下させることなく、ヒートサイクルに起因する接合層の剥離・亀裂の発生を抑制できる半導体装置を提供すること。
【解決手段】半導体素子２７と配線基板２５とを電気的に接続した接合層２６を有する半導体装置において、配線基板２５は、半導体素子２７を収納可能な凹形状部２５ａを有し、半導体素子２７は、凹形状部２５ａの内底上に、接合層２６を介して積層され、接合層２６は、所定温度以上、最高使用温度以下で塑性変形可能な導電性材料で形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子と配線基板とを電気的に接続した接合層を有する半導体装置に関する。

図２は、従来の半導体装置の構成の一例を示した断面図である。この半導体装置は、パワー半導体モジュールであり、放熱板１上に、半田層３ａ、絶縁基板２、半田層３ｂ、パワー半導体素子４、半田層３ｃ、配線基板（第２電極）５を積層した構造を有する。

このように、半導体素子４と配線基板５とを電気的に接続した接合層３ｃを有する半導体装置では、半導体素子４に電流が流れ、熱が発生するので、半導体素子４と配線基板５との熱膨張差に起因する熱応力が、接合層３ｃに作用する。ヒートサイクルにより、熱応力が繰り返し発生すると、接合層３ｃに剥離・亀裂が発生し、放熱が妨げられ、半導体素子４が熱破壊に至る恐れがある。

そこで、従来から、このような接合層３ｃの剥離・亀裂の発生を抑制できる半導体装置として、図２に示すように、配線基板５の半導体素子４と接する側の面５ａの一部に設けられ、且つ接合層３ｃを内部に充填するための凹形状部５ｂと、面５ａの残部に設けられ、凹形状部５ｂを取り囲み、且つ半導体素子４に固定される緩衝部６とを有する半導体装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

上記従来の構成の半導体装置は、接合層３ｃの周囲を緩衝部６で拘束することにより、接合層３ｃの端部の塑性変形を抑制することができ、ヒートサイクルに起因する接合層３ｃの剥離・亀裂の発生を抑制することができ、接合層３ｃの耐久性を向上することができる。
特開２００４−７１７４６号公報

しかしながら、上記従来の構成の半導体装置では、接合層３ｃの周囲を緩衝部６で拘束するため、緩衝部６の設置面積の分だけ、接合層３ｃの設置面積が小さくなり、接合層３ｃと半導体素子４との通電領域が小さくなる。このため、通電効率が低下する。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであって、通電効率を低下させることなく、ヒートサイクルに起因する接合層の剥離・亀裂の発生を抑制できる半導体装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、第１の発明は、半導体素子と配線基板とを電気的に接続した接合層を有する半導体装置において、
前記配線基板は、前記半導体素子を収納可能な凹形状部を有し、
前記半導体素子は、前記凹形状部の内底上に、前記接合層を介して積層され、
前記接合層は、所定温度以上、最高使用温度以下で塑性変形可能な導電性材料で形成される。

また、第２の発明は、第１の発明の半導体装置であって、前記導電性材料は、前記最高使用温度より固相線温度若しくは融点の低い金属、又は熱可塑性の導電性プラスチックである。

本発明によれば、接合層を所定温度以上、最高使用温度以下で塑性変形可能な導電性材料で形成することにより、接合層の温度が所定値以上に上昇すると、接合層の塑性変形により、半導体素子と配線基板との熱膨張差に起因する熱応力を緩和することができる。また、本発明によれば、上記従来の構成の緩衝部を用いないので、接合層と半導体素子との通電領域を維持することができ、通電効率を維持することができる。これらのため、通電効率を低下させることなく、ヒートサイクルによる接合層の剥離・亀裂を抑制することができる。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。

図１は、本発明の半導体装置の構成の一実施例を示した図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａに沿った断面図である。本実施例の半導体装置は、所謂パワーモジュールであり、図１に示すように、冷却器２１上に、半田層２２、放熱板２３、絶縁基板２４、配線基板２５、接合層２６、半導体素子２７を積層して構成されている。

半導体素子２７は、ＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴ等のパワー半導体素子である。半導体素子２７は、ＩＧＢＴの場合、図１に示すように、下面２７ａにコレクタ電極３１を備え、上面２７ｂにエミッタ電極３２、及びゲート電極３３を備える。

コレクタ電極３１は、半導体素子２７の下面２７ａの全面にアルミニウムや金等の導電性材料を積層して形成され、接合層２６、配線基板２５を介して、半導体装置の外部端子（図示せず）へ電気的に接続されている。

エミッタ電極３２及びゲート電極３３は、半導体素子の上面２７ｂの互いに隔離された領域に、アルミニウム等の導電性材料を積層して形成され、それぞれボンディングワイヤ３４ａ、３４ｂを介して、半導体装置の外部端子（図示せず）へ電気的に接続されている。

半導体素子２７は、ゲート電極３３の電圧を制御することで、コレクタ電極３１からエミッタ電極３２へ流れる電流のオン、オフを制御することができる。このとき、半導体素子２７には大電流が流れるので、半導体素子２７自身が発熱する。そこで、半導体素子２７で発生した熱を冷却するための冷却器２１が設置されている。

冷却器２１は、軽量かつ高熱伝導のアルミニウムで形成され、内部に水冷用の水冷溝２１ａを有する。水冷溝２１ａに冷却水を流すことで、半導体素子２７の過熱を防止し、半導体素子２７の熱破壊を防止することができる。この冷却器２１上には、半田層２２を介して、放熱板２３を被覆した絶縁基板２４が接合されている。

放熱板２３は、銅、アルミニウム等の高熱伝導の金属板で形成され、絶縁基板２４の下面２４ａに融着により直接取り付けられている。絶縁基板２４に金属板を被覆することにより、半田付け性を改善することができ、緻密な半田層２２を形成することができる。

絶縁基板２４は、窒化アルミニウム、窒化珪素等の高熱伝導のセラミックスで形成される。絶縁基板２４上には、配線基板２５が形成されている。

配線基板２５は、銅、アルミニウム等の高熱伝導の金属で形成され、絶縁基板２４の上面２４ｂに融着により直接取り付けられている。尚、配線基板２５は、所定形状に加工されたものであって良い。配線基板２５の加工は、例えば、配線基板２５の上面に所定形状のマスクパターンを被せ、露出部をエッチングして行われる。

また、配線基板２５は、その特徴的な構成として、半導体素子２７を収納可能な凹形状部２５ａを備える。この凹形状部２５ａは、配線基板２５に、凹形状部２５ａと略同一形状の開口部を有するマスクを被せ、エッチングして形成される。

凹形状部２５ａの開口寸法は、半導体素子２７の熱膨張を妨げないよう、半導体素子２７の外形寸法より若干大きく設定されて良い。

また、凹形状部２５ａの深さ方向寸法は、凹形状部２５ａ内に後述の接合層２６を充填できるよう、十分大きく設定される。このように設定することにより、溶融した接合層２６の流出を防止することができる。この凹形状部２５ａの内底上には、接合層２６を介して、半導体素子２７が接合されている。

接合層２６は、その特徴的な構成として、所定温度以上、最高使用温度以下で塑性変形可能な導電性材料で形成される。ここで、最高使用温度とは、半導体装置を実際に使用した場合の接合層２６の最高温度を意味する。最高使用温度は、車載用半導体装置の場合、車内の設置場所にもよるが、太陽光の照射熱、他の車載部品の発熱等により、７０℃以上に達することがある。

接合層２６を形成する導電性材料には、最高使用温度より固相線温度又は融点の低い金属を用いることができる。このような金属としては、例えば、Ｉｎ−３３Ｂｉ−１６Ｓｎ合金（融点６０℃）、Ｂｉ−２５Ｐｂ−２５Ｓｎ合金（融点９３℃）、Ｉｎ−４８Ｓｎ合金（融点１１７℃）、Ｓｎ−４８Ｉｎ合金（固相線温度１１７℃、液相線温度１３１℃）、Ｂｉ−４２Ｓｎ合金（融点１３９℃）、Ｓｎ−２０Ｂｉ合金（固相線温度１４４℃、液相線温度２０８℃）、Ｉｎ（融点１５７℃）等が挙げられる。尚、合金の化学組成は、全て重量％で表示している（以下、同じ）。

例えば、最高使用温度が１２０℃の場合、接合層２６を形成する導電性材料には、１２０℃で全部溶融するＩｎ−４８Ｓｎ合金、又は１２０℃で一部溶融するＳｎ−４８Ｉｎ合金を用いることができる。

接合層２６の少なくとも一部が溶融すると、接合層２６は粘性流動でき、塑性変形できる。このため、接合層２６に熱応力が作用しても、接合層２６の塑性変形により、熱応力が緩和されるので、ヒートサイクルによる接合層２６の剥離・亀裂を抑制することができる。

また、接合層２６の一部又は全部が溶融していない場合であっても、使用温度が固相線温度又は融点付近まで上昇すると、接合層２６を形成する金属の降伏点が下がるので、接合層２６は塑性変形し易くなる。このため、接合層２６に降伏点より大きな熱応力が作用しようとすると、接合層２６の塑性変形により、熱応力を緩和することができるので、ヒートサイクルによる接合層２６の剥離・亀裂を抑制することができる。

また、本実施例の半導体装置は、上記従来の構成の緩衝部を用いないので、接合層２６と半導体素子２７との通電領域を維持することができ、通電効率を維持することができる。

尚、本実施例の半導体装置では、接合層２６が溶融した場合であっても、半導体素子２７の密度（例えば、Ｓｉの場合、約２．３ｇ／ｃｍ^３）は接合層２６の密度（Ｓｎ−４８Ｉｎの場合、約７ｇ／ｃｍ^３）より十分軽いため、半導体素子２７が接合層２６上に浮いた状態になる。つまり、溶融した接合層２６へ半導体素子２７が沈み込むことはなく、半導体素子２７上のコレクタ電極３１、エミッタ電極３２、及びゲート電極３３が電気的に短絡することはない。また、この状態であっても、半導体素子２７の移動可能な範囲は、凹形状部２５ａ内に限定されるので、半導体素子２７が配線基板２５から離脱することはない。

また、接合層２６を形成する導電性材料には、最高使用温度より固相線温度又は融点の低い金属の代わりに、最高使用温度より軟化点の低い導電性プラスチックを用いても良い。この導電性プラスチックは、例えば、カーボンナノチューブ等の炭素系粒子、白金等の金属粒子等の導電性フィラーと、既知の熱可塑性樹脂と、既知の感圧接着剤とから構成される。この場合、接合層２６は、凹形状部２５ａの内底上に、導電性フィラー、熱可塑性樹脂、及び感圧接着剤を溶剤に分散した分散液をディスペンサーで塗布、乾燥して形成される。

熱可塑性の導電性プラスチックは、温度が軟化点より高くなると、塑性変形し易くなる。このため、接合層２６の温度が所定値以上に上昇すると、接合層２６の塑性変形により、半導体素子２７と配線基板２５との熱膨張差に起因する熱応力を緩和することができ、ヒートサイクルによる接合層２６の剥離・亀裂を抑制することができる。

このように、本実施例の半導体装置は、上記従来の緩衝部を用いることなく、接合層を接合層の温度が所定値以上に上昇すると、接合層の塑性変形により、半導体素子２７と配線基板２５との熱膨張差に起因する熱応力を緩和することができる。また、本発明によれば、上記従来の構成の緩衝部を用いないので、接合層２６と半導体素子２７との通電領域を維持することができ、通電効率を維持することができる。これらのため、通電効率を低下させることなく、ヒートサイクルによる接合層の剥離・亀裂を抑制することができる。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、本実施例では、放熱板２３と冷却器２１とを半田層２２で金属接合したが、半田の代わりに、樹脂系接着剤で接合してもよい。この場合、絶縁基板２４に放熱板２３を被覆することなく、絶縁基板２４と冷却器２１とを直接接合してもよい。

また、本実施例では、配線基板２５上に１個の半導体素子２７を配置したが、複数個の半導体素子２７を配置して良い。

本発明の半導体装置の構成の一実施例を示した図である。従来の半導体装置の構成の例を示した断面図である。

符号の説明

２５配線基板
２５ａ凹形状部
２６接合層
２７半導体素子

Claims

半導体素子と配線基板とを電気的に接続した接合層を有する半導体装置において、
前記配線基板は、前記半導体素子を収納可能な凹形状部を有し、
前記半導体素子は、前記凹形状部の内底上に、前記接合層を介して積層され、
前記接合層は、所定温度以上、最高使用温度以下で塑性変形可能な導電性材料で形成される半導体装置。
前記導電性材料は、前記最高使用温度より固相線温度若しくは融点の低い金属、又は前記最高使用温度より軟化点の低い導電性プラスチックである半導体装置。