JP2009170702A - 半導体モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】 熱疲労寿命を向上させることができる半導体モジュールを提供すること。
【解決手段】 矩形板形状の半導体素子３の広い側の面と基板体２をはんだ４で接合した半導体モジュール１において、半導体素子３の四隅部と重なる基板体位置に、はんだ４の厚さを基板体２の接合面より大きくする隅溝部２１を設け、隅溝部２１は、一部を半導体素子３の四隅部と重なるようにし、半導体素子３の外周側の基板位置のはんだ４の厚さを基板体２の接合面より大きくした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体素子と基板をはんだで接合する半導体モジュールの技術分野に属する。
従来では、両面放熱型の半導体装置において、金属板と半導体素子との間にブロック体を介在させ、ブロック体とはんだ付けを行う金属板ではんだが設置される領域の外周に環状の溝を設け、溝の内側に濡れ性が大きい部材を設けて、溝内のはんだがブロック体の端面を濡れ広がるのを抑制している（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００７−１０３９０９号公報（第２−１３頁、全図）
しかしながら、従来にあっては、冷熱サイクルに対する対策が充分なものではなかった。
本発明は、上記問題点に着目してなされたもので、その目的とするところは、熱疲労寿命を向上させることができる半導体モジュールを提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明では、矩形板形状の半導体素子の広い側の面と基板体をはんだで接合した半導体モジュールにおいて、前記半導体素子の四隅部と重なる前記基板体位置に、前記はんだの厚さを前記基板体の接合面より大きくする隅溝部を設けた、ことを特徴とする。
よって、本発明にあっては、半導体モジュールの熱疲労寿命を向上させることができる。
以下、本発明の半導体モジュールを実現する実施の形態を、請求項１，２，３，６に係る発明に対応する実施例１と、請求項１，２，３，４に係る発明に対応する実施例２及び実施例３と、請求項１，２，３，４，５に係る発明に対応する実施例３とに基づいて説明する。
まず、構成を説明する。
図１は実施例１の半導体モジュールの平面図である。図２は図１のＡ−Ａ断面図である。図３は図１のＢ−Ｂ断面図である。
実施例１の半導体モジュール１は、基板体２に半導体素子３をはんだ４で接合したものである。
基板体２は、いわゆるリードフレーム材料の金属部材であり、半導体素子３をはんだ付けにより固定する面を上面とすると、この上面に隅溝部２１と中央溝部２２を備えている。なお、隅溝部２１と中央溝部２２は、基板体２にプレス加工を施すことにより形成する。
隅溝部２１は、図１、図２に示すように、半導体素子３の４隅に一部が重なり、他の部分が露出する配置で、矩形形状に設ける。さらに、半導体素子３の四隅に重なる辺を延長して、形成される矩形領域に中央溝部２２を設ける。
そのため、中央溝部２２は全体が、半導体素子３の中央部の下方位置となる。
このように、隅溝部２１、中央溝部２２は、基板体２の上面からの深さが深い凹部として設けられる（図２、図３参照）。
半導体素子３は、所定の矩形板状にダイシングされたもので、例としてＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）を挙げておく。
はんだ４は、はんだ付けによって基板体２に半導体素子３を固定するとともに、基板体２と半導体素子３を電気的に接続する。これにより基板体２は端子としての機能を備えることになる。
作用を説明する。
[ダイボンディングを良好にする作用]
実施例１の半導体モジュール１は、半導体素子３を矩形にダイシングした後に、基板体２に載置し、その後にダイボンディングした状態のものである。そのため、実施例１の半導体モジュール１に、その後、ワイヤボンディング等を行うものとする。なお、樹脂モールドするパッケージングは、行うものでも、行わないものであってもよい。
実施例１の半導体モジュール１では、基板体２と半導体素子３をはんだ４により接合した際に、はんだ４は隅溝部２１、中央溝部２２に多く流れ込む。さらに、基板体２の上面に比較して、隅溝部２１、中央溝部２２を深くしているため、はんだ４が厚く形成される。つまり、半導体素子３の四隅及び中央には、厚いはんだ４の層が形成されることになる。
つまり、はんだ４が基板体２の上面において、半導体素子３の周囲から外周方向へ広がる場合に、その部分を隅溝部２１で受けるようにして広がりを防止する。これにより、ダイボンディングが良好に行える。
また、半導体素子３の四隅の下方と一部が重なるように設けられた隅溝部２１の間であって、中央溝部２２の１辺に接する基板体２の上面は、半導体素子３の下方に位置する。そのため、基板体２の上面は四隅の間の四箇所において、半導体素子３の下方に位置し、はんだ４を介して半導体素子３を支持する。よって、隅溝部２１を設けたことにより、半導体素子３の高さ方向の位置精度に影響するようなことはない。
[冷熱サイクルの耐性向上作用]
図４は実施例１の半導体モジュールの冷熱サイクルの状態の説明図である。
半導体モジュール１は、製品等に組み込まれて使用されるため、機器全体の起動から停止まで、比較的緩やかな熱環境変化において、不具合なく正常作動することを求められる。
このような環境温度変化は、比較的緩やかな熱変化であるため、冷熱サイクルと呼ばれる高温と低温を繰り返すモードが設定され、試験等が行われる。
この冷熱サイクルでは、装置全体がほぼ均一に温度変化すると仮定でき、その場合の応力は、それぞれの部品の線膨張係数に依存する。半導体モジュールでは、シリコンの線膨張係数が、他の材料よりも小さいため半導体素子３に対して基板体２やアルミワイヤの伸縮が大きくなるため、持続的に大きなストレスが掛かる。
実施例１のような矩形の半導体素子３を基板体２にはんだ４で接合する構造の場合、辺の長さが最大になる対角線の応力が最大となる。これに対して、実施例１では、矩形の板状の半導体素子３の四隅の下方には、隅溝部２１が位置し、はんだ４は厚い層が形成されている。そのため、対角線方向に対して、他の部分よりも応力を受ける面積が大きくなり許容応力としては大きくなる。よって、はんだ４の四隅に亀裂（クラック）が入ることを非常に抑制する。
この隅溝部２１がない場合には、対角線の応力が最大となるため、初めにはんだ４の四隅に亀裂（クラック）が入ってしまう。
そのため、実施例１の半導体モジュール１は、冷熱サイクルの耐性が向上する。よって、熱疲労寿命が延びることになる。
なお、図４には、この対角線方向を符号１００で示す。
[パワーサイクルの耐性向上作用]
図５は実施例１の半導体モジュール１のパワーサイクルの状態の説明図である。
パワーサイクルでは、モジュール全体の温度は少ないが、図５に示すように、ワイヤ接合部２００での温度変化が頻繁に生じる動作を想定したものである。ワイヤボンディング等が後に行われる半導体モジュール１にあっては、重要な性能となる。
このパワーサイクルでは、半導体素子３の自身の動作による発熱が主であり、電流の経路と導体抵抗により熱分布が求められる。なお、厳密には、半導体内部のＰＮジャンクションの損失も含められる。従って、ワイヤボンディング等が後に行われる半導体モジュール１にあっては、ワイヤボンドの付け根付近を中心に過渡熱が分布し、はんだ４にかかる応力は、中心部が最大、つまり四隅の中心付近が大きくなる。
これに対して実施例１では、矩形の板状の半導体素子３の中央の下方に中央溝部２２が位置し、はんだ４は厚い層が形成されている。そのため、基板体２、半導体素子３、はんだ４の積層構造を上下方向とした場合の左右方向成分の応力に対しては、他の部分よりも応力を受ける面積が大きくなり、許容応力が大きくなる。
そのため、はんだ４の中央に最も大きく応力を受けるパワーサイクルに対しての耐性が向上し、熱疲労寿命が延びることになる。
次に、効果を説明する。
実施例１の半導体モジュールにあっては、下記に列挙する効果を得ることができる。
(1)矩形板形状の半導体素子３の広い側の面と基板体２をはんだ４で接合した半導体モジュール１において、半導体素子３の四隅部と重なる基板体位置に、はんだ４の厚さを基板体２の接合面より大きくする隅溝部２１を設けたため、冷熱サイクルで生じる対角線方向の応力を許容し、半導体モジュールの熱疲労寿命を向上させることができる。
(2)上記(1)において、隅溝部２１は、一部を半導体素子３の四隅部と重なるようにし、半導体素子３の外周側の基板位置のはんだ４の厚さを基板体２の接合面より大きくしたため、半導体素子３の外周方向へ広がろうとするはんだ４を溝に溜めるようにして、不要なはんだ４の広がりを防止できる。
(3)上記(1)又は(2)において、半導体素子３の中央部と重なる基板体位置に、はんだ４の厚さを基板体２の接合面より大きくする中央溝部２２を設けたため、パワーサイクルで生じる半導体素子３の中央の応力を許容し、半導体モジュールの熱疲労寿命を向上させることができる。
(6)上記(1)〜(3)において、基板体２は材質を金属とし、隅溝部２１をプレスで形成したため、コストを抑制して隅溝部２１や中央溝部２２を形成することができる。
実施例２の半導体モジュールは、隅溝部２３と中央溝部２４を基板体２の接合面より深い位置で連通させた例である。
構成を説明する。
図６は実施例２の半導体モジュールの平面図である。
実施例２では、隅溝部２３を半導体素子３の四隅に一部が重なり、他の部分が露出する配置、大きさで、矩形形状に設ける。さらに、半導体素子３の中央部に重なる矩形領域に中央溝部２４を設ける。そしてさらに、中央溝部２４の四隅がそれぞれ隅溝部２３と重なる矩形の大きさにする。これにより、隅溝部２３と中央溝部２４は、半導体素子３の接合面より深い溝どうしが連通することになる。
なお、図６には、連通部分２５を示す。
その他構成は、実施例１と同様であるので説明を省略する。
作用を説明する。
[ダイボンディングを良好にする作用]
実施例２の半導体モジュール１では、４箇所の隅溝部２３と、中央溝部２４が連通しているため（連通部分２５）、はんだ４が基板体２の上面において、半導体素子３の周囲から外周方向へ広がる場合に、その部分を隅溝部２３で受けるようにして広がりを防止する際、隅溝部２３と中央溝部２４の許容容量全体で受けることが可能となる。
つまり、他の溝部分が許容限界に対し余裕のある場合、均一化に向かう分、さらにはんだ４を受けることができる。これにより、不要なはんだ４の広がりをさらによく防止できることになる。よって良好なダイボンディングとなる。
効果を説明する。実施例２の半導体モジュールでは、上記(1),(2),(3)に加えて以下の効果を有する。
(4)上記(3)において、隅溝部２３と中央溝部２４を基板体２の接合面より深い位置で連通させた連通部分２５を設けたため、半導体素子３の外周方向へ広がろうとするはんだ４をより容量の大きな溝に溜めるようにして、不要なはんだ４の広がりを防止できる。
また、四箇所の隅溝部２３と中央溝部２４におけるはんだ４の偏在をなくし均一なはんだ４の広がりを促進できる。
その他作用効果は、実施例１と同様であるので説明を省略する。
実施例３の半導体モジュールは、隅溝部２６と中央溝部２７を基板体２の接合面より深い位置で連通させた例である。
構成を説明する。
図７は実施例３の半導体モジュールの平面図である。
実施例３の半導体モジュール１では、矩形の半導体素子３に対して、４５度回転した矩形の中央溝部２７が、半導体素子３の四隅に四辺を向けるように配置する。
そして、隅溝部２６は、中央溝部２７の四辺を外周方向へ延長し、半導体素子３の四隅と一部を重ねる大きさ形状となるように設ける。
つまり中央溝部２７と隅溝部２６の全体で十字形状を構成し、矩形の半導体素子３と相対的に４５度回転させた配置にし、隅溝部２６を形成する。
なお、図７には、連通部分２８を示す。
その他構成は、実施例１と同様であるので説明を省略する。
作用を説明する。
[ダイボンディングを良好にする作用]
実施例３の半導体モジュール１では、４箇所の隅溝部２６と、中央溝部２７が、広く連通部分２８で連通している。そのため、はんだ４が基板体２の上面において、半導体素子３の周囲から外周方向へ広がる場合に、その部分を隅溝部２６で受けるようにして広がりを防止する際、隅溝部２６と中央溝部２７の許容容量全体で受けることが可能となる。隅溝部２６と中央溝部２７とは連通部分２８で広い通路断面積で連通し、はんだ４の行き来を妨げないからである。
つまり、他の溝部分が許容限界に対し余裕のある場合、均一化に向かう分、さらにはんだ４を受けることができる。これにより、不要なはんだ４の広がりをさらによく防止できることになる。実施例３では、連通部分２８を大きくすることにより、はんだ４の行き来の時間的な遅れが生じ難くなっている。そのため、さらに良好なダイボンディングとなる。
効果を説明する。実施例３の半導体モジュールにあっては、上記(1),(2),(3)に加えて以下の効果を有する。
(4)´上記(3)において、隅溝部２６と中央溝部２７を基板体２の接合面より深い位置で連通させた連通部分２８を設けたため、半導体素子３の外周方向へ広がろうとするはんだ４をより容量の大きな溝に溜めるようにして、不要なはんだ４の広がりを防止できる。
また、四箇所の隅溝部２６と中央溝部２７におけるはんだ４の偏在をなくし均一なはんだ４の広がりを促進できる。
その他作用効果は、実施例１と同様であるので説明を省略する。
実施例４は、中央溝部２４の一部の上面を基板体２の接合面と同じにする支持部分を備えた例である。
構成を説明する。
図８は実施例４の半導体モジュールの平面図である。
実施例４の半導体モジュール１では、中央溝部２４のさらに中央位置に、上面高さを半導体素子３との接合面と同じにする支持部分２４１を設ける。言い換えると、中央溝部２４の中央位置に、溝のない部分である支持部分２４１を設ける。形状は矩形とする。
その他構成は、実施例２と同様であるので説明を省略する。
作用を説明する。
[支持強度を向上させる作用]
実施例４では、中央溝部２４に支持部分２４１を設けているので、はんだ４を介して、基板体２の半導体素子３との接合面と同じ高さで支持を行う。
半導体素子３は、隅溝部２３、中央溝部２４においても、はんだ４を介して支持されていることになるが、より強固に支持している部分は、半導体素子３の高さ距離が短く、隅溝部２３の間で、四辺の中央溝部２４と重ならない部分となる。これに、この部分と同じ高さの中央の支持部分２４１を加えて支持することにより、より強度強く半導体素子３を支持する。
効果を説明する。
実施例４の半導体モジュール１にあっては、上記(1),(2),(3),(4)に加えて、次の効果を有する。
(5)中央溝部２４は、一部の上面を基板体２の接合面と同じにする支持部分２４１を備えたため、ダイボンディングを良好にでき、熱疲労寿命を向上できつつ、半導体素子３を強度強く支持することができる。
また、半導体素子３のパワーサイクルでは、熱膨張により半導体素子３の中央部分が下方へ下がる応力を支持部分２４１で受けるようにし、且つ溝部によりはんだ４の厚さを設けるようにして、このような場合でも熱疲労寿命を向上できる。
以上、本発明の半導体モジュールを実施例１〜実施例４に基づき説明してきたが、具体的な構成については、これらの実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。
例えば、実施例４では、中央溝部２７の中央に矩形の支持部分を設けたが、中央でなくてもよく、矩形形状でなくてもよい。たとえば、Ｌ字状や円形等を設けてもよい。また、複数設けてもよい。
また、例えば、実施例１では、基板体２にプレス加工により隅溝部２１や中央溝部２２を形成したが、切削や押し出し等の他の加工により形成してもよい。
図１は実施例１の半導体モジュールの平面図である。 図２は図１のＡ−Ａ断面図である。 図３は図１のＢ−Ｂ断面図である。 実施例１の半導体モジュールの冷熱サイクルの状態の説明図である。 実施例１の半導体モジュール１のパワーサイクルの状態の説明図である。 実施例２の半導体モジュールの平面図である。 実施例３の半導体モジュールの平面図である。 実施例４の半導体モジュールの平面図である。
符号の説明
１ 半導体モジュール
２ 基板体
３ 半導体素子
４ はんだ
２１ 隅溝部
２２ 中央溝部
２３ 隅溝部
２４ 中央溝部
２４１ 支持部分
２５ 連通部分
２６ 隅溝部
２７ 中央溝部
２８ 連通部分
１００ （対角線方向を示す）矢印
２００ ワイヤ接合部

Claims (6)

  1. 矩形板形状の半導体素子の広い側の面と基板体をはんだで接合した半導体モジュールにおいて、
    前記半導体素子の四隅部と重なる前記基板体位置に、前記はんだの厚さを前記基板体の接合面より大きくする隅溝部を設けた、
    ことを特徴とする半導体モジュール。
  2. 請求項１に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記隅溝部は、一部を前記半導体素子の四隅部と重なるようにし、前記半導体素子の外周側の前記基板位置の前記はんだの厚さを前記基板体の接合面より大きくした、
    ことを特徴とする半導体モジュール。
  3. 請求項１又は請求項２に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記半導体素子の中央部と重なる前記基板体位置に、前記はんだの厚さを前記基板体の接合面より大きくする中央溝部を設けた、
    ことを特徴とする半導体モジュール。
  4. 請求項３に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記隅溝部と前記中央溝部を前記基板体の接合面より深い位置で連通させた、
    ことを特徴とする半導体モジュール。
  5. 請求項３又は請求項４に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記中央溝部は、
    一部の上面を前記基板体の接合面と同じにする支持部分を備えた、
    ことを特徴とする半導体モジュール。
  6. 請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記基板体は材質を金属とし、前記隅溝部をプレスで形成した、
    ことを特徴とする半導体モジュール。
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