JP2010258015A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半田に生じるひずみを低減し且つ半導体モジュールに生じる反りを抑制する。
【解決手段】半導体装置１において、金属電極板２の半導体素子実装面２ａに、この金属電極板２に用いられる金属材料のヤング率よりも小さい金属材料を金属部５として設け、その金属部５の上に半田４にて半導体素子３を実装させた。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に関し、詳細には、反りの発生防止技術に関する。

金属電極板上に半導体チップを半田にて実装した半導体装置では、半導体チップと金属電極板との線膨張係数の差により、半田にひずみ（応力）が発生して半導体チップに割れが発生する可能性がある。これを回避するべく、線膨張係数が半導体チップの材料であるシリコンに近いモリブデン等を材料とする金属の緩衝板を、金属電極板と半導体チップの間に配置した半導体装置が提案されている（例えば、特許文献１等に記載）。

この半導体装置では、金属の緩衝板と半導体チップの線膨張係数が近似しているため、半導体チップと金属電極板との線膨張係数の差に起因する応力を前記緩衝板で吸収させることができる。

特開２００３−５９９５１号公報

しかし、特許文献１に記載の半導体装置では、半田に生じるひずみを低減することはできるが、半導体チップと金属電極板間に金属の緩衝板を設けない場合よりも設けた場合の方が、半導体チップ実装面を上として半導体モジュール全体が上に凸なる反りが発生する。半導体モジュールが反ると、半導体チップを冷却するための金属電極板の半導体実装面とは反対側の面に密着して配置された冷却器との界面に隙間が生じ、熱抵抗が大きくなる場合がある。

そこで、本発明は、半田に生じるひずみを低減し且つ半導体モジュールに生じる反りを抑制することのできる半導体装置を提供する。

本発明の半導体装置は、金属電極板の半導体素子実装面に、この金属電極板の剛性よりも低い剛性とした金属部を設け、その金属部の上に半田にて半導体素子を実装させた構造とする。

本発明の半導体装置によれば、金属電極板の剛性よりも低い剛性とした金属部を、前記金属電極板の半導体素子実装面に設け、その金属部に半田にて半導体素子を実装する構造としたので、半導体モジュール使用環境下における冷熱ストレスによって半田に生じるひずみを、剛性の低い金属部がそれ自身の柔らかさで吸収し、該金属部がいわゆるクッション材として機能してひずみを低減すると共に反りも小さくする。その結果、金属電極板の半導体実装面とは反対側の面に密着して配置された冷却器と金属電極板間の隙間の量が抑制され、熱抵抗を抑えることができる。

図１は実施形態１の半導体装置の断面図である。 図２は実施形態２の半導体装置の断面図である。 図３は両面冷却型の半導体装置をインバータで使用する場合の構成例を示す図である。 図４は実施形態３の両面冷却型の半導体装置をインバータで使用する場合の構成例を示す図である。 図５は実施形態４の半導体装置の断面図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

「実施形態１」
一般的な電気自動車（電動車両）では、バッテリーからの直流電源をモーターへ３相交流に変換して流すためインバータが用いられている。このインバータには、電流の変換を行うためのパワーモジュールが搭載されており、そのパワーモジュール中のＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのスイッチング素子の導通、非導通を制御することにより電流の変換を行っている。また、パワーモジュール中の半導体素子は通電により非常に高温になるため、半導体素子の耐熱上の故障を防ぐのに、冷却器により、効率よく冷却をする必要があった。

しかしながら、この半導体モジュールには半導体素子を実装する際、半田が固相点（約２２０℃）から常温（約２５℃）まで温度が下がるため、シリコンなどの半導体素子と電極に用いられる銅などの金属体との線膨張係数の差により半導体モジュール全体が半導体素子実装部を上とした場合に、上に凸となるような反りが生じてしまう。この反りによって、冷却器と半導体モジュールとの間に隙間が生じて熱抵抗が大きくなり、耐熱上の故障を招く可能性がある。

そこで、冷却性能を上げるために、半導体素子の両側電極板にそれぞれ冷却器を取り付けた、いわゆる両面冷却構造の半導体モジュール構造が開発されている。しかし、片面で半導体素子を冷却していたときと同様、反り量の大きさを抑えること及び半田に冷熱ストレスによって生じるひずみの大きさを低減することに課題が残る。これらの課題を解決するために、本発明の構造を採用する。

図１は実施形態１の半導体装置の断面図である。実施形態１の半導体装置（半導体モジュール）１は、図１に示すように、金属電極板２の上に半導体素子３を半田４にて実装させた構造としている。

金属電極板２は、例えば熱伝導性に優れた銅等からなる。かかる金属電極板２は、半導体素子３へ電流を供給するための電極としての機能と、半導体素子３から発せられる熱を放熱するための放熱部材としての機能とを合わせ持つ。半導体素子３は、シリコン等からなり、前記金属電極板２の半導体素子実装面２ａ上に半田４にて実装されている。なお、半導体素子３は、ＩＧＢＴやダイオード等に限定されるものではない。

実施形態１では、金属電極板２の半導体素子実装面２ａに、この金属電極板２の剛性よりも低い剛性とした金属部５を設け、その金属部５の上に半田４にて前記半導体素子３を実装させた構造としている。金属部５は、金属電極板２の全面を覆うようにして形成されている。このため、金属部５の面積は、半導体素子３の面積よりも大となっている。また、半田４の面積は、半導体素子３の面積とほぼ同じ面積とされている。

前記金属部５は、銅等からなる金属電極板２よりもその剛性が低い（ヤング率が低い）アルミニウム等の金属材料からなる。前記金属部５は、金属電極板２に対して熱間圧延処理されることにより、該金属電極板２に接合されている。これら金属部５、金属電極板２、半導体素子３の各部材の材料定数は、表１に示す通りである。

アルミニウムのヤング率は、銅のヤング率を１３０とすると、これよりも小さい６９である。一方、アルミニウムの線膨張係数は、銅の線膨張係数を１６．５（ｐｐｍ／Ｋ）とすると、これよりも大きい２３（ｐｐｍ／Ｋ）となっている。シリコンの線膨張係数は、アルミニウムや銅よりさらに小さい４〜５（ｐｐｍ／Ｋ）である。

実施形態１の半導体装置によれば、金属部５に用いられるアルミニウムは線膨張係数が金属電極板２に用いられる銅と比べて大きいものの、アルミニウムの剛性が銅の剛性よりも低い（別の見方をすると、アルミニウムのヤング率が銅のヤング率よりも小さい）ため、半導体モジュールに冷熱ストレスがかかるような使用環境下において半田４に生じる半田ひずみを低減することができる。

実施形態１におけるように、半導体素子３と金属電極板２との間に金属部５を設けると、半田４に生じるひずみは低減できる。しかし、反りについては金属部５の剛性に左右される。金属部５に用いられる金属材料の剛性が大きければ、半導体素子３を上としたときに、半導体モジュール全体が上に凸となる反りが大きくなり、剛性が小さければ反りは小さくなる。ヤング率が小さい（剛性が小さい）ということは、その金属が柔らかいということである。つまり、実施形態１の半導体装置では、金属電極板２のヤング率よりも低いヤング率とした金属部５がクッション材のような役割をし、この金属部５が半田４に作用するひずみを吸収して、該ひずみを低減する。

また、実施形態１の半導体装置によれば、金属部５の面積を半導体素子３の面積よりも少なくとも大としたので、冷熱ストレスによって半田４に生じるひずみを、金属電極板２の全面に金属部５を設ける場合と同等に低減できるばかりか、半導体モジュールに生じる反り量をより低減させることができる。

「実施形態２」
図２は実施形態２の半導体装置の断面図、図３は両面冷却型の半導体装置をインバータで使用する場合の構成例を示す図である。実施形態２は、半導体素子３を金属部５（５Ａ、５Ｂ）が設けられた金属電極板２（２Ａ、２Ｂ）でその両側から挟み込んだ積層構造とした例である。

実施形態２の半導体装置６は、金属電極板２（２Ａ、２Ｂ）の剛性よりも低い剛性（金属電極板２のヤング率よりも小さなヤング率）とした金属部５（５Ａ、５Ｂ）を半導体実装面２ａに設けた金属電極板２（２Ａ、２Ｂ）で、半導体素子３を挟み込むようにして半田４（４Ａ、４Ｂ）で接続して積層させた構造としている。そして、積層構造とされた半導体装置（半導体モジュール）６は、図３に示すように、各金属電極板２Ａ、２Ｂの半導体実装面２ａとは反対側の裏面２ｂに冷却器７（７Ａ、７Ｂ）を取り付けている。

また、実施形態２では、半導体素子３を挟んで両側に配置された金属部５（５Ａ、５Ｂ）の厚みＴ１を、金属電極板２（２Ａ、２Ｂ）の厚みＴ２よりも薄くしている。例えば、金属電極板２のヤング率よりも小さなヤング率とされた金属部５の厚みＴ１は、金属電極板２の厚みＴ２の１０％以下としている。金属部５の厚みＴ１を厚くすれば、ひずみは低減できるが、その反面剛性が高くなることにより反りが大きくなる。そこで、本発明では、ひずみの低減と反りの低減を共に満足させることができる範囲を見出した。金属部５の厚みＴ１を金属電極板２の厚みＴ２の１０％以下とすれば、冷熱ストレスがかかるような使用環境下において半田４に生じる半田ひずみが低減されると共に半導体モジュール６に生じる反りが抑えられる。

実施形態２の半導体装置によれば、半導体素子３を金属部５が設けられた金属電極板２で挟み込んだ積層構造とし、その半導体素子３を挟んで両側に配置された金属部５の厚みＴ１を金属電極板２の厚みＴ２よりも薄くしたので、半田４に生じるひずみを、実施形態１の図１におけるように片面に金属部５を設けた構造に比べてより低減することができ、また、半導体モジュールの反りを低減させることができる。したがって、金属電極板２と冷却器７間に生じる隙間を少なくすることができ、熱抵抗を小さくすることが可能となる。

また、実施形態２の半導体装置によれば、金属部５の厚みＴ１を金属電極板２の厚みＴ２の１０％以下としたので、剛性の低い金属部５の持つクッション機能が維持されることにより、半田４に生じるひずみを低減させることができると共に反りの発生も抑制できる。

「実施形態３」
図４は実施形態３の両面冷却型の半導体装置をインバータで使用する場合の構成例を示す図である。実施形態３は、基本的には実施形態２と同様であるが、絶縁性を確保するために半導体素子３を挟む両側の半田４Ａ、４Ｂのサイズが他方に対して一方を小さくした構造を採用している。

このような構成において、金属部５Ａ、５Ｂを金属電極板２Ａ、２Ｂの全面に形成すると、半田４Ａ、４Ｂに生じるひずみがアルミ材の面積の大きさに応じて変曲点を持つように変化し、所望する効果を得ることができない。

そこで、実施形態３では、半導体素子３を挟んで両側に配置された半田４Ａ、４Ｂの面積が大小異なる場合、小とされた半田４Ｂを載せる一方の金属部５Ｂの面積をこの半田面積とほぼ同じ面積とし、大とされた半田４Ａを載せる他方の金属部５Ａの面積をこの半田面積とほぼ同じ面積とする。図４では、半導体素子３を挟んで上に設けられる半田４Ａの面積を、他方の下に設けられる半田４Ｂの面積よりも小としている。ここで定義するほぼ同じ面積とは、全く同一の面積だけでなく多少の大小は含むものとする。

実施形態３の半導体装置によれば、半導体素子３を挟んで両側に配置された半田４Ａ、４Ｂの面積が大小異なる場合に、小とされた半田４Ｂを載せる一方の金属部５Ｂの面積をこの半田４Ｂの面積とほぼ同じ面積とし、大とされた半田４Ａを載せる他方の金属部５Ａの面積をこの半田４Ａの面積とほぼ同じ面積としたので、所望した半田４Ａ、４Ｂに生じるひずみを低減することができる。

「実施形態４」
図５は実施形態４の半導体装置の断面図である。実施形態４の半導体装置（半導体モジュール）１は、基本的には実施形態１と同様、図５に示すように、金属電極板２の上に半導体素子３を半田４にて実装させた構造としている。

実施形態４では、金属部５を金属電極板２の全面に形成した実施形態１とは異なり、半導体素子３の面積より若干大きなサイズとしている。半導体素子３の面積とほぼ同等のサイズに金属部５を形成するには、金属電極板２の全面に設けたアルミニウムをエッチングして所定サイズにする。

実施形態４の半導体装置によれば、金属部５を金属電極板２の全面に形成するのではなく、半導体素子３の面積より若干大きなサイズとしているので、半導体モジュール全体に生じる反り量をより低減することができ、また、全面に金属部５を設けた場合と比較してほぼ同等のひずみ低減を図ることができる。

本発明は、金属電極板に半導体素子が実装されてなる半導体装置に利用することができる。

１、６…半導体装置（半導体モジュール）
２（２Ａ、２Ｂ）…金属電極板
３…半導体素子
４（４Ａ、４Ｂ）…半田
５（５Ａ、５Ｂ）…金属部
７（７Ａ、７Ｂ）…冷却器

Claims (6)

1. 金属電極板に半導体素子が実装されてなる半導体装置において、
   前記金属電極板の半導体素子実装面に、前記金属電極板の剛性よりも低い剛性とした金属部を設け、該金属部に半田にて前記半導体素子を実装させた
   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であって、
   前記金属部のヤング率が、前記金属電極板のヤング率よりも小である
   ことを特徴とする半導体装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の半導体装置であって、
   前記金属部の面積を、少なくとも前記半導体素子の面積よりも大とした
   ことを特徴とする半導体装置。
4. 請求項１から請求項３の何れか１項に記載の半導体装置であって、
   前記半導体素子を前記金属部が設けられた前記金属電極板で挟み込んだ積層構造とし、
   前記半導体素子を挟んで両側に配置された前記金属部の厚みを、前記金属電極板の厚みより薄くした
   ことを特徴とする半導体装置。
5. 請求項４に記載の半導体装置であって、
   前記半導体素子を挟んで両側に配置された前記半田の面積が大小異なり、小とされた半田を載せる一方の金属部の面積をこの半田面積とほぼ同じ面積とし、大とされた半田を載せる他方の金属部の面積をこの半田面積とほぼ同じ面積とした
   ことを特徴とする半導体装置。
6. 請求項４又は請求項５に記載の半導体装置であって、
   前記金属部の厚みを、前記金属電極板の厚みの１０％以下とした
   ことを特徴とする半導体装置。

Images