JP2010103350A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体チップの両面にヒートシンクを半田付けするように構成された半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device configured to solder heat sinks to both surfaces of a semiconductor chip.
高耐圧・大電流用のパワーIC(IGBTやMOSFET等)の半導体チップ(半導体素子)は、使用時の発熱が大きいため、半導体チップからの放熱性を向上させるための構成が必要である。この構成の一例として、半導体チップの両面にヒートシンク(金属板)を半田付けする構成が考えられており、例えば特許文献1に記載されている。 A semiconductor chip (semiconductor element) of a power IC (IGBT, MOSFET, etc.) for high withstand voltage and large current generates a large amount of heat during use, and thus requires a configuration for improving heat dissipation from the semiconductor chip. As an example of this configuration, a configuration in which a heat sink (metal plate) is soldered to both surfaces of a semiconductor chip is considered, and is described in Patent Document 1, for example.
上記構成の半導体装置1は、図11に示すように、例えばIGBTからなる半導体チップ2と、下側ヒートシンク3と、上側ヒートシンク4と、ターミナルブロック5とを備えて構成されている。半導体チップ2の下面全体と下側ヒートシンク3との間は半田6により接合され、半導体チップ2の上面に設けられた半田付け用の電極(エミッタ電極)7(図12参照)とターミナルブロック5との間は半田6により接合されている。ターミナルブロック5の上面と上側ヒートシンク4の下面との間は半田6により接合されている。尚、図12において、8はシリコン基板、8aは活性領域、9aはAl層、9bは保護膜である。
上記構成の場合、半導体チップ2のオンオフに伴う温度変化が繰り返されたときに、半導体チップ2を構成するシリコンの線膨張係数と半田6の線膨張係数の違いにより、繰り返し応力が発生し、半田6が劣化することがあった。特に、半導体チップ2の上面の電極7に接合された半田6の端部(エッジ部)には、大きな繰り返し応力が作用して、クラック6aが生ずることがあった(図12)。クラック6aが生ずると、図12に示すように、電流集中が発生する部分Aが発生する。そして、電流集中が発生すると、その部分Aが発熱し、該熱により半導体チップ2が破壊されるという問題点があった。このため、半導体チップ2の上面の電極7に接合された半田6の端部に発生する応力を極力低減することが望まれている。
In the case of the above configuration, when the temperature change accompanying the on / off of the
そこで、本発明の目的は、半導体チップの上面の電極に接合された半田の端部に発生する応力を極力低減することができる半導体装置を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of reducing as much as possible the stress generated at the end portion of the solder bonded to the electrode on the upper surface of the semiconductor chip.
請求項1の発明によれば、第1の金属板の上面における半田付け用電極の端部に対応する部位から金属ブロックの端部の内側に対応する部位まで凸部を設け、この凸部の上面と半導体チップの下面との間の半田の膜厚を、第1の金属板の凸部以外の部分の上面と半導体チップの下面との間の半田の膜厚よりも薄くするように構成したので、半導体チップの上面の半田付け用電極に接合された半田の端部に発生する応力を極力低減することができる。 According to the first aspect of the present invention, the convex portion is provided from the portion corresponding to the end portion of the soldering electrode on the upper surface of the first metal plate to the portion corresponding to the inner side of the end portion of the metal block. The thickness of the solder between the upper surface and the lower surface of the semiconductor chip is configured to be smaller than the thickness of the solder between the upper surface of the portion other than the convex portion of the first metal plate and the lower surface of the semiconductor chip. Therefore, the stress generated at the end of the solder joined to the soldering electrode on the upper surface of the semiconductor chip can be reduced as much as possible.
請求項2の発明によれば、凸部を半導体チップの下面に設けるように構成したので、請求項1の発明と同じ作用効果を得ることができる。
請求項3の発明によれば、凸部の高さ寸法を、前記第1の金属板の前記凸部以外の部分の上面と前記半導体チップの下面との間の半田の膜厚のほぼ50%〜80%程度としたので、前記応力を確実に低減することができる。
According to the second aspect of the invention, since the convex portion is provided on the lower surface of the semiconductor chip, the same effect as that of the first aspect of the invention can be obtained.
According to invention of Claim 3, the height dimension of a convex part is about 50% of the film thickness of the solder between the upper surface of parts other than the said convex part of the said 1st metal plate, and the lower surface of the said semiconductor chip. Since it is about -80%, the stress can be surely reduced.
また、請求項4の発明のように、前記凸部は、前記半田付け用電極の外周部に沿うように全周に設けられていることが好ましい。更に、請求項5の発明のように、前記凸部は、前記半田付け用電極の外周部に沿うように間欠的に設けられていることが好ましい。
Further, as in the invention of
以下、本発明の第1の実施例について、図1ないし図7を参照して説明する。まず、図1は、本実施例の半導体装置の概略構成を示す断面図である。この図1に示すように、本実施例の半導体装置11は、半導体チップ(半導体素子)12と、下側ヒートシンク(第1の金属板)13と、上側ヒートシンク(第2の金属板)14と、ヒートシンクを構成するターミナルブロック(金属ブロック)15とを備えて構成されている。 Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. First, FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the semiconductor device of this embodiment. As shown in FIG. 1, the semiconductor device 11 of this embodiment includes a semiconductor chip (semiconductor element) 12, a lower heat sink (first metal plate) 13, and an upper heat sink (second metal plate) 14. And a terminal block (metal block) 15 constituting a heat sink.
上記半導体チップ12は、例えばIGBTやMOSFETやサイリスタやダイオード等のパワー半導体素子から構成されている。この半導体チップ12の形状は、本実施例の場合、矩形(例えば一辺が13mm程度の正方形)の薄板状である。また、下側ヒートシンク13、上側ヒートシンク14及びターミナルブロック15は、例えばCuで構成されている。尚、上記Cuに代えて、Al等の熱伝導性及び電気伝導性の良い金属で構成しても良い。
The
半導体チップ12の下面の全面は、半田付け用の電極(チップ12が例えばIGBTである場合、コレクタ電極)となっている。この半導体チップ12の下面全面と下側ヒートシンク13の上面との間は、接合部材である例えば半田16によって接合されている。
The entire lower surface of the
また、半導体チップ12の上面には、半田付け用の電極(チップ12が例えばIGBTである場合、エミッタ電極)17(図2参照)と、図示しないワイヤボンディング用の電極(チップ12が例えばIGBTである場合、ゲート電極や各種センサ用電極等)と、図示しないガードリング等が設けられている。半導体チップ12の上面の半田付け用電極17とターミナルブロック15の下面全面との間は、半田16によって接合されている。尚、半導体チップ12のワイヤボンディング用の電極とリードフレーム19との間は、ボンディングワイヤ20により接続されている。
Further, on the upper surface of the
更に、ターミナルブロック15の上面と上側ヒートシンク14の下面との間は、半田16によって接合されている。そして、半導体装置11のほぼ全体は、樹脂(例えばエポキシ樹脂)21によりモールドされている。尚、半導体装置11を樹脂21でモールドするに当たっては、上下型からなる成形型(図示しない)を使用している。また、下側ヒートシンク13の下面、上側ヒートシンク14の上面、各ヒートシンク13、14の端子部(図示しない)及びリードフレーム19の端子部は、モールド樹脂21(成形体)から露出または突出するように構成されている。上記構成においては、半導体チップ12の両面からヒートシンク13、14及びターミナルブロック15を介して放熱される構成となっている。
Furthermore, the upper surface of the
さて、図2に示すように、下側ヒートシンク13の上面における半田付け用電極17の端部17aに対応する部位からターミナルブロック15の端部15aの内側に対応する部位までの部分に凸部22を設けた。この場合、凸部22の中心位置を半田16の端部にほぼ一致させるように配置している(図8(c)参照)。尚、凸部22の中心位置を左右に多少シフトさせても良い。上記凸部22の高さ寸法hは、下側ヒートシンク13の上記凸部22以外の部分の上面と、半導体チップ12の下面との間に設けられた半田16の膜厚dのほぼ50%程度となるように構成されている。
Now, as shown in FIG. 2, the
具体的には、凸部22の高さ寸法hは例えば0.04mm程度に設定されている。上記半田16の膜厚dは例えば0.08mm程度に設定されている。これにより、凸部22の上面と半導体チップ12の下面との間の半田16の膜厚(例えば0.04mm程度)が、下側ヒートシンク13の凸部22以外の部分の上面と半導体チップ12の下面との間の半田16の膜厚(例えば0.08mm程度)よりも薄くなるように構成した。ここで、凸部22を下側ヒートシンク13に形成するに際しては、例えばプレス成形により形成したり、エッチングにより形成したり、金属層を堆積することにより形成したりする方法が好ましい。
Specifically, the height h of the
尚、半導体チップ12の上面の半田付け用電極17とターミナルブロック15の下面との間に設けられた半田16の膜厚、並びに、ターミナルブロック15の上面と上側ヒートシンク14の下面との間に設けられた半田16の膜厚も、例えば0.08mm程度に設定されている。ここで、0.08mm程度の膜厚の半田16を形成するに際しては、半田16の膜中に外径寸法が0.08mm程度のボールやワイヤを埋設するような周知の方法を用いることが好ましい。
Incidentally, the film thickness of the
また、下側ヒートシンク13及び上側ヒートシンク14は、厚さ寸法が例えば約2mm程度の板材で形成されている。ターミナルブロック15は、厚さ寸法が例えば約1.5mm程度の板材で形成されており、その大きさは、半導体チップ12の上面の半田付け用電極17の大きさとほぼ同じ大きさである。また、半導体チップ12の厚さ寸法は、例えば約0.14mm程度である。
The
また、図3に示すように、上記凸部22は、半田付け用電極17の外周部に沿うように全周に、即ち、矩形枠状をなすように設けられている。凸部22の幅寸法w(図2参照)は、例えば2.0mm程度に設定されている。ここで、半導体チップ12に冷熱サイクル(180℃から25℃へ(モールド成形時の温度変化)、更に150℃と−40℃との間の冷熱サイクルを1回)を加えた後、半導体チップ12の上面の応力分布を測定した結果を、図4に示す。
Further, as shown in FIG. 3, the
この図4において、実線P1は本実施例(凸部22の幅寸法w=2.0mm)の測定結果を示し、実線P2は本実施例において凸部22の幅寸法wを1.0mmに設定した場合の測定結果を示し、実線P3は本実施例において凸部22の幅寸法wを0.5mmに設定した場合の測定結果を示し、実線P4は従来構成(即ち、凸部22を設けない構成)の測定結果を示している。尚、図4の左右両端の位置が半導体チップ12の両端の位置に対応し、図4中の位置t1、t2がターミナルブロック15の両端の位置に対応している。
In FIG. 4, the solid line P1 shows the measurement result of the present example (width dimension w = 2.0 mm of the convex portion 22), and the solid line P2 sets the width dimension w of the
上記図4の実線P1、P4から、本実施例の凸部22を下側ヒートシンク13の上面に設けたことにより、半導体チップ12の上面に発生する応力を大幅に小さく(28.4MPaから17.7MPaへ)できたことがわかる。
From the solid lines P1 and P4 in FIG. 4, the stress generated on the upper surface of the
尚、半導体チップ12に上記した冷熱サイクルを加えた後、半導体チップ12の下面の応力分布を測定した結果を、図5に示す。この図5において、実線Q1は本実施例(凸部22の幅寸法w=2.0mm)の測定結果を示し、実線Q2は本実施例において凸部22の幅寸法wを1.0mmに設定した場合の測定結果を示し、実線Q3は本実施例において凸部22の幅寸法wを0.5mmに設定した場合の測定結果を示し、実線Q4は従来構成(即ち、凸部22を設けない構成)の測定結果を示している。
In addition, the result of having measured the stress distribution of the lower surface of the
次に、上記凸部22の高さ寸法hを変化させたときに、半導体チップ12に発生する応力の測定結果を図6に示す。この図6において、横軸は凸部22の高さ寸法を示し、縦軸は応力の大きさを示す。図6中の実線R1は半導体チップ12の上面に発生する応力の大きさを示し、実線R2は半導体チップ12の下面に発生する応力の大きさを示している。尚、冷熱サイクルの条件は、図4、図5の場合と同じである。
Next, FIG. 6 shows a measurement result of stress generated in the
上記図6の実線R1から、凸部22の高さ寸法が高くなるほど、半導体チップ12の上面に発生する応力の大きさが小さくなる。これに対して、図6の実線R2から、凸部22の高さ寸法が高くなるほど、半導体チップ12の下面に発生する応力の大きさが大きくなる。従って、凸部22の高さ寸法を、半田16の膜厚のほぼ80%程度に設定すると、半導体チップ12の上面に発生する応力を最も低減できることがわかる。ただし、下側ヒートシンク13の加工性や、下側ヒートシンク13および半導体チップ12の半田付け性等を考慮して実現性の面から判断すると、凸部22の高さ寸法を、半田16の膜厚のほぼ50%程度に設定することが好ましい。
From the solid line R <b> 1 in FIG. 6, the magnitude of the stress generated on the upper surface of the
一方、図7は、凸部22の位置を変化させたときに、半導体チップ12の上面に発生する応力の測定結果を示す図である。この図7において、横軸は凸部22の位置のシフト量を示し、縦軸は応力の大きさを示す。ここで、シフト量とは、凸部22の中心位置を半田16(半田付け用の電極17)の端部に一致させた位置をシフト量が0であるとし、この位置から内側へシフトさせる、または外側へシフトさせるようにしている(図8参照)。この場合、凸部22の幅寸法は1mm程度に設定している。尚、冷熱サイクルの条件は、図4、図5、図6の場合と同じである。
On the other hand, FIG. 7 is a diagram illustrating a measurement result of stress generated on the upper surface of the
上記図7から、凸部22の中心位置を半田16の端部に一致させた位置(即ち、シフト量が0の位置)のときに、半導体チップ12の上面に発生する応力の大きさを最も低減できることがわかる。そして、凸部22の一部が半田16の端部にかかる位置(シフト量が±0.5mmの位置)であれば、半導体チップ12の上面に発生する応力の大きさを十分低減できることがわかる。
From FIG. 7, the magnitude of the stress generated on the upper surface of the
上記した構成の本実施例によれば、下側ヒートシンク13の上面における半田付け用電極17の端部に対応する部位からターミナルブロック15の端部の内側に対応する部位までの部分に凸部22を設け、凸部22の上面と半導体チップ12の下面との間の半田16の膜厚を、下側ヒートシンク13の凸部22以外の部分の上面と半導体チッ12プの下面との間の半田16の膜厚よりも薄くするように構成したので、半導体チップ12の上面に発生する応力の大きさを十分低減することができる。
According to the present embodiment having the above-described configuration, the
尚、上記実施例では、図3に示すように、凸部22の形状を矩形枠状としたが、これに限られるものではなく、図9(a)に示すように、丸みを帯びた矩形枠状としても良いし、また、図9(b)に示すように、45度回転させ、且つ、幅広に形成した矩形枠状としても良い。更に、図9(c)に示すように、間欠的に設けた矩形枠状としても良いし、また、図9(d)に示すように、半田付け用電極17の4隅部に形状の異なる凸部(同じ形状の凸部であっても良い)23を形成するように構成しても良い。更にまた、図9(e)に示すように、矩形枠状を止めて、矩形状としても良く、また、図9(f)に示すように、円形状としても良い。
In the above-described embodiment, as shown in FIG. 3, the shape of the
また、凸部22を下側ヒートシンク13に形成するに際しては、図10(a)に示すように、下側ヒートシンク13の上面における凸部22以外の部分に凹部を形成するように構成しても良い。更に、図10(b)に示すように、下側ヒートシンク13の上面に凸部を形成することを止めて、半導体チップ12の下面に凸部24を形成するように構成しても良い。更にまた、図10(c)に示すように、下側ヒートシンク13の上面に凸部を形成することを止めると共に、半導体チップ12の下面に凸部を形成することも止め、両者の間に、半田16の膜厚を薄くする金属箔25を配設するように構成しても良い。この金属箔25は、半田16と合金化し、且つ、半田16よりも硬い金属で構成されている。
Further, when the
図面中、11は半導体装置、12は半導体チップ、13は下側ヒートシンク(第1の金属板)、14は上側ヒートシンク(第2の金属板)、15はターミナルブロック(金属ブロック)、16は半田、17は半田付け用電極、19はリードフレーム、21は樹脂、22は凸部、23は凸部、24は凸部、25は金属箔を示す。 In the drawings, 11 is a semiconductor device, 12 is a semiconductor chip, 13 is a lower heat sink (first metal plate), 14 is an upper heat sink (second metal plate), 15 is a terminal block (metal block), and 16 is solder. , 17 is a soldering electrode, 19 is a lead frame, 21 is a resin, 22 is a protrusion, 23 is a protrusion, 24 is a protrusion, and 25 is a metal foil.
Claims (5)
前記第1の金属板の上面における前記半田付け用電極の端部に対応する部位から前記金属ブロックの端部の内側に対応する部位まで凸部を設け、
前記凸部の上面と前記半導体チップの下面との間の半田の膜厚を、前記第1の金属板の前記凸部以外の部分の上面と前記半導体チップの下面との間の半田の膜厚よりも薄くするように構成したことを特徴とする半導体装置。 A semiconductor chip; a first metal plate soldered to the entire lower surface of the semiconductor chip; a metal block soldered to a soldering electrode provided on the upper surface of the semiconductor chip; and an entire upper surface of the metal block In a semiconductor device comprising a second metal plate soldered to
Providing a convex portion from a portion corresponding to the end of the soldering electrode on the upper surface of the first metal plate to a portion corresponding to the inside of the end of the metal block,
The film thickness of the solder between the upper surface of the convex portion and the lower surface of the semiconductor chip is the thickness of the solder between the upper surface of the portion other than the convex portion of the first metal plate and the lower surface of the semiconductor chip. A semiconductor device characterized by being made thinner.
前記半導体チップの下面における前記半田付け用電極の端部に対応する部位から前記金属ブロックの端部の内側に対応する部位まで凸部を設け、
前記凸部の下面と前記第1の金属板の上面との間の半田の膜厚を、前記半導体チップの前記凸部以外の部分のした面と前記第1の金属板の上面との間の半田の膜厚よりも薄くするように構成したことを特徴とする半導体装置。 A semiconductor chip; a first metal plate soldered to the entire lower surface of the semiconductor chip; a metal block soldered to a soldering electrode provided on the upper surface of the semiconductor chip; and an entire upper surface of the metal block In a semiconductor device comprising a second metal plate soldered to
Providing a convex portion from a portion corresponding to the end of the soldering electrode on the lower surface of the semiconductor chip to a portion corresponding to the inside of the end of the metal block,
The thickness of the solder between the lower surface of the convex portion and the upper surface of the first metal plate is set between the surface of the semiconductor chip other than the convex portion and the upper surface of the first metal plate. A semiconductor device configured to be thinner than the thickness of solder.
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