JP2010283168A

JP2010283168A - 半導体装置

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Publication number: JP2010283168A
Application number: JP2009135499A
Authority: JP
Inventors: Masami Ogura; 正巳小倉; Norito Takayanagi; 教人高柳; Tomoko Yamada; 友子山田; Jun Kato; 潤加藤; Tsugio Masuda; 次男増田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-06-04
Filing date: 2009-06-04
Publication date: 2010-12-16

Abstract

【課題】従来普通の一般的なモジュール構成で、従来よりも安価で且つはんだ接合部の接合信頼性が確保可能な半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置は、絶縁基板Ｃの両面に金属板Ｍ１，Ｍ２を各々接合してなる回路基板Ｐと、一方の金属板Ｍ１の外面に第１はんだＨ１を介して接合される少なくとも１個の半導体素子Ｓ，Ｓ′と、他方の金属板Ｍ２の外面に第２はんだＨ２を介して接合される放熱用ベース板Ｂとを備えた半導体装置において、第１，第２はんだが、同種のはんだ材で構成され、両金属板Ｍ１，Ｍ２の板厚の和ｔ_Mの絶縁基板Ｃの板厚ｔ_Cに対する比ａが、各はんだＨ１，Ｈ２の温度ストレスに対する耐久性を確保するために、１．５以上で且つ５．５以下の範囲内に設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、絶縁基板の両面に金属板を各々接合してなる回路基板と、一方の金属板の外面に第１はんだを介して接合される少なくとも１個の半導体素子と、他方の金属板の外面に第２はんだを介して接合される放熱用ベース板とを備えてなる半導体装置に関する。

上記半導体装置、例えばモータ駆動制御システム等に用いられるパワーモジュールは、高出力化に伴い十分な絶縁性と放熱性が要求されるため、セラミック製の絶縁基板を用いてその一面に接合した第１銅板にパワー半導体素子を溶融温度の高い鉛系はんだで接合し、次いで絶縁基板の他面に接合した第２銅板に、前記鉛系はんだの接合部を再溶融させないよう溶融温度が比較的低い錫鉛系共晶はんだで放熱用ベース板を接合している。

一方、近年は環境保護のために、はんだ材の鉛フリー化が進められているが、その鉛フリーはんだは、その溶融温度が錫鉛系共晶はんだの溶融温度より高いものの、鉛系はんだの溶融温度より低いため、この鉛フリーはんだを用いて上記した従来の手法ではんだ接合を行うと、先に接合した素子側のはんだ接合部が、放熱用ベース板の接合処理時にその熱で再溶融して接合信頼性を著しく低下させるといった問題があった。

また鉛フリーはんだは、鉛系や錫鉛系のはんだと比べて硬いため、亀裂が一旦、発生するとその進展が早く、耐久性に劣るといった問題があった。

そこで前者の問題を解決するために、半導体素子と放熱用ベース板を、溶融温度が相異なる二種の鉛フリーはんだを用いて接合する手法（例えば、特許文献１を参照）や、後者の問題を解決するために、鉛フリーはんだにビスマスやインジウム等のレアメタルを添加して耐久性を高める手法（例えば、下記特許文献２を参照）が知られている。さらにパワーモジュールの構造を大幅に変更し、はんだ接合部等をモールド樹脂で固めて樹脂封止するといった特殊な手法も知られている。

特開２００６−２３７０５７号公報特開２００７−１４１９４８号公報

ところが、上記特許文献１の手法では、溶融温度が相異なる二種の鉛フリーはんだを特別に選定、用意する必要がある上、その二種のはんだを、絶縁基板への半導体素子の接合と放熱用ベース板の接合とで使い分ける必要があり、その取り扱いが全体として煩雑であり、また上記特許文献２の手法では、高価なレアメタルを鉛フリーはんだへの添加材として特別に用いる必要があり、結局、何れの手法でも、材料費や管理費の高騰、更には製造工程の変更を強いられ、大幅なコスト増となる問題がある。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、従来普通の一般的なモジュール構成で、従来よりも安価で且つはんだ接合部の接合信頼性が確保可能な半導体装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、絶縁基板の両面に金属板を各々接合してなる回路基板と、一方の金属板の外面に第１はんだを介して接合される少なくとも１個の半導体素子と、他方の金属板の外面に第２はんだを介して接合される放熱用ベース板とを備えた半導体装置において、前記第１はんだ及び前記第２はんだが、同種のはんだ材で構成され、前記一方及び前記他方の金属板の板厚の和の、前記絶縁基板の板厚に対する比が、各はんだの温度ストレスに対する耐久性を確保するために、１．５以上で且つ５．５以下の範囲内に設定されていることを第１の特徴とする。

また本発明は、第１の特徴の構成に加えて、前記第１，第２はんだは、ＳｎＣｕ系、ＳｎＡｇ系またはＳｎＡｇＣｕ系の合金よりなる鉛フリーはんだであって、レアメタルを含まないことを第２の特徴とする。

本発明において、「同種のはんだ材」とは、主要成分が同一の合金よりなるはんだ材をいい、例えばＳｎＣｕ系、ＳｎＡｇ系またはＳｎＡｇＣｕ系の合金より選ばれる鉛フリーはんだ材が用いられる。そして、本発明の「同種のはんだ材」には、添加物が含まれても、含まれなくてもよいが、含まれる場合には、その含まれる添加物の組成や添加量が第１，第２はんだで同一であっても或いは異なっていてもよい。何れにせよ、第１，第２はんだの融点の差が２０°Ｃ以内（即ち特許文献１（特開２００６−２３７０５７）のように加熱条件を変える必要がない範囲）に収まるように第１，第２はんだの添加物の組成や添加量が選択されることが望ましい。

本発明の第１の特徴によれば、半導体装置における回路基板両面の第１，第２金属板と素子、放熱用ベース板との間をそれぞれ接合するはんだ接合部の耐久信頼性を、樹脂封止等の特殊な手法を採ることなく、且つレアメタル等の高価な添加材を添加した特殊なはんだ材料を使用することなく、十分に確保可能となる。しかもその両はんだ接合部に同種のはんだ材を用いて一括で接合処理することが可能となるから、接合処理作業を簡単且つ迅速に能率よく行うことができる。以上により、その両はんだ接合部の耐久信頼性を確保しながら、材料費低減や工程削減によるコストダウンを達成することができる。

また本発明の第２の特徴によれば、両はんだ接合部に安価な鉛フリーはんだを使用でき、またそのような安価な鉛フリーはんだを用いても、それらの接合部の耐久信頼性を確保しながら、材料費低減や工程削減によるコストダウンを達成できる。

本発明の一実施例に係るパワーモジュールの要部断面図前記パワーモジュールの要部の分解図放熱用ベース板側のはんだの熱による亀裂進展解析結果を示すグラフ前記パワーモジュールのはんだ接合部についての熱疲労試験の解析により、Coffin-Manson 則を用いて得た発生歪と温度サイクルとの関係を示すグラフ回路基板の平均熱膨張係数α_aveとサイクル数との関係を示すグラフ回路基板の平均熱膨張係数α_aveと、回路基板における両銅板の板厚の和ｔ_Mの、絶縁基板の板厚ｔ_Cに対する比ａとの関係を示すグラフ回路基板における銅板の厚みとサイクル数との関係を示すグラフ

以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照しながら説明する。

先ず図１，図２において、半導体装置としてのパワーモジュールＰＭは、例えば窒化ケイ素などのセラミック材を主要材料とする絶縁基板Ｃの両面に第１，第２金属板としての第１，第２銅板Ｍ１，Ｍ２を各々一体的に接合してなる回路基板Ｐと、第１銅板Ｍ１の外面に第１はんだＨ１を介して接合される少なくとも１個の半導体素子Ｓ，Ｓ′と、第２銅板Ｍ２の外面に第２はんだＨ２を介して接合される銅製の放熱用ベース板Ｂとを備えており、各はんだＨ１，Ｈ２は、何れも鉛フリーはんだ材で構成される。

前記回路基板Ｐの構造は、従来公知のＤＣＢ基板と基本的に同一である。

また前記第１，第２はんだＨ１，Ｈ２としては、同種の（本実施例では同一の）鉛フリーはんだ材料、例えば、ＳｎＣｕ系、ＳｎＡｇ系またはＳｎＡｇＣｕ系の合金であって、添加物を全く含まないか、或いは含むとしてもその添加物がＮｉ、Ｃｏ又はＧｅのうちの少なくとも１つである安価な鉛フリーはんだ材料が使用されており、これには、耐久性を高めるための高価な添加材、例えばビスマスやインジウム等のレアメタルは添加されていない。それら鉛フリーはんだは、その溶融温度が錫鉛系共晶はんだの溶融温度よりも高く、また鉛系はんだの溶融温度よりも低い。

従って、これらＳｎＣｕ系、ＳｎＡｇ系またはＳｎＡｇＣｕ系の鉛フリーはんだ材は、半導体素子Ｓ，Ｓ′側の第１はんだＨ１として使用された場合には、その素子の動作温度（１６０°Ｃ以下）に対して十分高い溶融温度（約２２０°Ｃ）を有していて、従来の鉛系高融点はんだと同様に半導体素子の使用に際しての発熱によっても再溶融せず、また放熱用ベース板Ｂ側の第２はんだＨ２として使用された場合には、従来の錫鉛系共晶はんだを使用した場合よりも熱に対する耐久性向上が見込まれることが本発明者による解析の結果により判明した。

即ち、図３には、厚さ（０．３ｍｍと０．５ｍｍ）を異ならせた２枚の銅板に放熱用ベース板Ｂを錫鉛系共晶はんだ又は本発明の鉛フリーはんだでそれぞれ接合した場合における、所定のサイクル温度変化幅での温度サイクル試験（ＴＣＴ）を行った場合の試験サイクル数と、はんだ接合部の亀裂進展長さとの関係を解析した結果を示しており、この解析からも、鉛フリーはんだを使用した場合の方が、錫鉛系はんだを使用した場合よりも、同一温度サイクルにおいてはんだ接合部の亀裂進展長さが短く、即ち、温度ストレスに対するはんだ接合部の耐久性が高いことが明らかである。

尚、本実施例で用いられる温度サイクル試験（ＴＣＴ）は、ＪＥＴＡ、即ち電子情報技術産業協会により定められている半導体の信頼性規格中の温度サイクル試験に準拠したものであって、例えば自動車に搭載した場合に一回の走行でオン・オフを繰り返す回数要件および材料特性で求まる条件にて試験が行われ、その試験の際のサイクル温度変化幅は、−４０°Ｃ〜１０５°Ｃの範囲に設定されている。

また前記半導体素子Ｓ，Ｓ′としては、従来公知のパワー半導体素子、例えば、ＩＧＢＴ、ＭＯＳ−ＦＥＴ、或いはＦＷＤといった各種素子が用いられ、それらは、シリコンを主要材料としている。

また回路基板Ｐにおいては、各はんだＨ１，Ｈ２の温度ストレスに対する耐久性を十分に確保するために、前記第１，第２銅板Ｍ１，Ｍ２の板厚の和ｔ１の、絶縁基板Ｃの板厚ｔ２に対する比ａが、各はんだＨ１，Ｈ２の温度ストレスに対する耐久性を確保し得る所定範囲（後述するように１．５以上で且つ５．５以下の範囲）に収まるように設定されている。

本発明者は、前記比ａが、各はんだＨ１，Ｈ２の温度ストレスに対する耐久性を確保する上で重要なパラメータであることを、はんだ接合部の疲労試験等の解析結果より究明したものであり、その解析の手法を以下に説明する。

先ず、回路基板Ｐの各構成要素、放熱用ベース板Ｂ、各はんだＨ１，Ｈ２、素子Ｓ，Ｓ′の解析モデルを作成し、次いで、半導体装置のはんだ接合部の熱疲労試験を行うために前記した温度サイクル試験（ＴＣＴ）の所定の温度条件に合わせてサイクル温度変化幅を設定する等して、解析条件を設定する。

次に構造解析を実際の実験により或いはコンピュータによる模擬実験（シミュレーション）により実施し、これで得た各はんだＨ１，Ｈ２の接合部の発生歪と、温度サイクル試験でのサイクル数との関係を Coffin-Manson 則に基づいて図４のように求め、この関係からはんだ接合部の耐久信頼性を評価、判断する。尚、この図４によれば、各温度サイクルにおいてはんだ接合部の発生歪（即ち温度ストレス）が小さければ小さいほど、ライフサイクル数（即ち接合部の亀裂進展長さが規定限界に至るまでの試験サイクル数）が大きくなって、はんだ接合部の耐久信頼性が高くなることが明らかである。

この解析結果に基づいて、各はんだＨ１，Ｈ２の接合部の耐久信頼性に対する、パワーモジュールＰＭの各部の厚さ（例えば素子Ｓ，Ｓ′の厚さ、各はんだＨ１，Ｈ２の厚さ、各銅板Ｍ１，Ｍ２の厚さ、両銅板Ｍ１，Ｍ２の厚さの差、ベース板Ｂの厚さ等）や熱膨張係数等の寄与率をそれぞれ解析したところ、パワーモジュールＰＭの各部の厚さのうち銅板Ｍ１，Ｍ２の厚さの寄与率が最も高く、他の部位の厚さの寄与率は比較的軽微であることが判明した。

さらに前記解析結果によれば、素子側の第１はんだＨ１は、回路基板Ｐの平均熱膨張係数が小さいと（即ち素子Ｓ，Ｓ′の主要材料であるシリコンに近くなるにつれて）耐久信頼性が高くなり、またベース板側の第２はんだＨ２は、回路基板Ｐの平均熱膨張係数が大きいと（即ちベース板Ｂの構成材料である銅に近くなるにつれて）耐久信頼性が高くなることが判明したが、これは、温度変化に伴い各はんだＨ１，Ｈ２に発生する歪が、これを挟む構造物の熱膨張係数の差に依存することに関係しているためと考えられる。

そこで次に、回路基板Ｐの平均熱膨張係数α_aveと、はんだ接合部のライフサイクル数との関係を調べたところ、図５のような結果となった。これによれば、素子側の第１はんだＨ１の耐久信頼性は、回路基板Ｐの平均熱膨張係数α_aveが小さくなるほど高くなり、一方、ベース板側の第２はんだＨ２の耐久信頼性は、回路基板Ｐの平均熱膨張係数α_aveが小さくなるほど低くなって、両者が相反する傾向を示すことが裏付けられた。従って、これらはんだＨ１，Ｈ２の耐久信頼性を同時に満足する平均熱膨張係数α_aveの特定領域に基づいて第１，第２銅板Ｍ１，Ｍ２の厚みを選定する必要がある。

その選定に当たっては、第１，第２はんだＨ１，Ｈ２の耐久信頼性を満足する目安として、前記した温度サイクル試験（ＴＣＴ）において、はんだ接合部のライフサイクル数がパワーモジュールのはんだ接合部として要求される所定の要求サイクル数以上（本実施例では１０００サイクル以上）の条件を満たすものとする。この条件を満たす回路基板Ｐの平均熱膨張係数α_aveは、図５において、７．５〜１２ｐｐｍ／℃の範囲となり、平均熱膨張係数α_aveがこの範囲である回路基板Ｐを使用すれば、両はんだＨ１，Ｈ２の耐久信頼性を同時に満足させることができ、パワーモジュールとしての耐久信頼性の要求レベルを満たすことが可能となる。

ところで、第１，第２銅板Ｍ１，Ｍ２の板厚の和ｔ_Mの、絶縁基板の板厚ｔ_Cに対する比をａとすれば、ａ＝ｔ_M／ｔ_Cとなり、
また回路基板Ｐの平均熱膨張係数をα_aveとし、またセラミックス製絶縁基板Ｃの熱膨張係数及びヤング率をそれぞれα_C及びＥ_Cとし、銅板Ｍ１，Ｍ２の銅材の熱膨張係数及びヤング率をそれぞれα_M及びＥ_Mとしたとき、α_aveは次式で表すことができる。

α_ave＝（ａ・α_M・Ｅ_M＋α_C・Ｅ_C）／（ａＥ_M＋Ｅ_C）
そして、この式は、上記比ａと回路基板Ｐの平均熱膨張係数α_aveとの関係として、図６のグラフに表すことができる。そして、このグラフにおいて、前記したような第１，第２はんだＨ１，Ｈ２の耐久信頼性を同時に満足させるような回路基板Ｐの平均熱膨張係数α_aveの範囲（７．５〜１２ｐｐｍ／℃）を満足させる前記比ａの範囲は、１．５〜５．５となる。

従って、その比ａの範囲を満足させるように第１，第２銅板Ｍ１，Ｍ２の板厚の選定を行えば、第１，第２はんだＨ１，Ｈ２の耐久信頼性を同時に満足させることができる第１，第２銅板Ｍ１，Ｍ２の板厚選定が可能となる。

例えば、絶縁基板の板厚ｔ_Cが０．３２ｍｍである標準的なパワーモジュールＰＭにおいては、前記比ａ（＝ｔ_M／ｔ_C）が１．５≦ａ≦５．５である前記条件を適用して第１，第２銅板Ｍ１，Ｍ２の板厚の和ｔ_Mを算出すると、それは、０．４８ｍｍ〜１．７６ｍｍの範囲となる。一方、図７は、このパワーモジュールＰＭに関して第１，第２銅板Ｍ１，Ｍ２の板厚の和ｔ_Mを横軸とし、且つ前記温度サイクル試験（ＴＣＴ）における温度サイクル数を縦軸として第１，第２はんだＨ１，Ｈ２のライフサイクル数を実験的に求めたグラフが示されている。そして、このグラフにおいて、第１，第２銅板Ｍ１，Ｍ２の板厚の和ｔ_Mが前記０．４８ｍｍ〜１．７６ｍｍの範囲（図７ではＯＫ領域と表示）では、第１，第２はんだＨ１，Ｈ２のライフサイクル数が何れも所定の要求サイクル数（実施例では１０００）以上となっていて、各はんだ接合部が十分な耐久信頼性を有していることが窺い知れる。

以上のようにして構成した回路基板Ｐの一面及び他面の銅板Ｍ１，Ｍ２に半導体素子Ｓ，Ｓ′及び放熱用ベース板Ｂをはんだ付けしてパワーモジュールＰＭを製造するに際しては、回路基板Ｐの素子側の第１銅板Ｍ１の外面に第１鉛フリーはんだＨ１を介して半導体Ｓ，Ｓ′を接合する処理と、ベース板側の第２銅板Ｍ２の外面に第２鉛フリーはんだＨ２を介して放熱用ベース板Ｂを接合する処理とを同一の加熱条件で同時に実行するようにする。

これらのはんだ付け処理は、処理炉としての従来周知のリフロー炉（図示せず）内で行われ、その時のリフロー温度は、リフロー炉内で各はんだＨ１，Ｈ２全体を均一に溶融させ且つ半導体素子Ｓ，Ｓ′との接合部の耐久信頼性が得られる加熱温度として、２４０°Ｃ以上で且つ３２０°Ｃ以下に設定される。このようなリフロー温度設定により、リフロー炉内ではんだＨ１，Ｈ２全体を均一に溶融させ且つ半導体素子Ｓ，Ｓ′との接合部の耐久信頼性が得られる加熱温度で各はんだＨ１，Ｈ２を同時に加熱溶融させて、両はんだ接合部を的確に接合処理することができる。

また各はんだＨ１，Ｈ２の接合処理に当たっては、例えば放熱用ベース板Ｂ上の所定位置に、所定形状に予め形成された薄板状の第２鉛フリーはんだＨ２を挟んで回路基板Ｐの、ベース板側の第２銅板Ｍ２の外面を載せ、更にその回路基板Ｐの素子側の第１銅板Ｍ１の外面の所定位置に、予め形成された薄板状の第１鉛フリーはんだＨ１を挟んで半導体素子Ｓ，Ｓ′を載せたものを、予め所定のリフロー温度に加熱したリフロー炉内にセットし、所定時間加熱することで各はんだＨ１，Ｈ２を溶融し、その後にリフロー炉より取り出して冷却、固化させることではんだ付け処理を行うようにする。

而して、本実施例のパワーモジュールＰＭの回路基板Ｐにおいては、絶縁基板Ｃ両側の第１，第２銅板Ｍ１，Ｍ２の板厚の和ｔ_Mの、絶縁基板Ｃの板厚ｔ_Cに対する比ａ（＝ｔ_M／ｔ_C）が、同種の（本実施例では同一の）鉛フリーはんだ材よりなる第１，第２はんだＨ１，Ｈ２の温度ストレスに対する耐久性を確保するために、所定の制限された範囲、即ち１．５以上で且つ５．５以下の範囲内に設定されている。しかもその両はんだ接合部には、素子Ｓ，Ｓ′の動作温度（１６０°以下）に対し十分高い溶融温度（約２２０°Ｃ）を有していて素子の使用に際しての発熱によっても再溶融せず且つ錫鉛系はんだを使用した場合よりも熱に対する耐久性向上が見込まれる鉛フリーはんだを用いることで、これらをリフロー炉内で前記リフロー温度（即ち２４０°Ｃ以上で且つ３２０°Ｃ以下）で一括で接合処理することができる。

そのため、回路基板Ｐ両面の第１，第２銅板Ｍ１，Ｍ２と、素子Ｓ，Ｓ′、放熱用ベース板Ｂとの各間をそれぞれ接合する第１，第２はんだＨ１，Ｈ２による接合部の耐久信頼性を、樹脂封止等の特殊な手法を採ることなく、且つレアメタル等の高価な添加材を添加した特殊なはんだ材料を使用することなく、十分に確保可能となる。しかもその両はんだ接合部を一括で接合処理可能となることで、全体として接合処理作業を簡単且つ迅速に能率よく行うことができる。

かくして、その両はんだＨ１，Ｈ２の接合部に、従来普通に使用される安価な鉛フリーはんだ材料（即ち、ＳｎＣｕ系、ＳｎＡｇ系またはＳｎＡｇＣｕ系の合金であって、添加物としてレアメタルを含まない安価な鉛フリーはんだ材料）が使用されても、それらのはんだ接合部の耐久信頼性を十分に確保可能としながら、従来装置と比べて材料費低減や工程削減によるコストダウンを達成できる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明を逸脱することなく種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、前記実施例では、放熱用ベース板として用いる金属板として銅板を使用したが、本発明では、銅、アルミ、タングステン、モリブデン等の複合材でベース板を構成してもよい。

Ｂ・・・・放熱用ベース板
Ｃ・・・・絶縁基板
Ｈ１・・・第１はんだ
Ｈ２・・・第２はんだ
Ｍ１・・・第１金属板としての第１銅板
Ｍ２・・・第２金属板としての第２銅板
Ｐ・・・・回路基板
Ｓ，Ｓ′・・半導体素子
ａ・・・・比
ｔ_C・・・絶縁基板の板厚
ｔ_M・・・第１，第２金属板（第１，第２銅板）の板厚の和

Claims

絶縁基板（Ｃ）の両面に金属板（Ｍ１，Ｍ２）を各々接合してなる回路基板（Ｐ）と、一方の金属板（Ｍ１）の外面に第１はんだ（Ｈ１）を介して接合される少なくとも１個の半導体素子（Ｓ，Ｓ′）と、他方の金属板（Ｍ２）の外面に第２はんだ（Ｈ２）を介して接合される放熱用ベース板（Ｂ）とを備えた半導体装置において、
前記第１はんだ（Ｈ１）及び前記第２はんだ（Ｈ２）は、同種のはんだ材で構成され、前記一方及び前記他方の金属板（Ｍ１，Ｍ２）の板厚の和（ｔ_M）の、前記絶縁基板（Ｃ）の板厚（ｔ_C）に対する比（ａ）が、各はんだ（Ｈ１，Ｈ２）の温度ストレスに対する耐久性を確保するために、１．５以上で且つ５．５以下の範囲内に設定されていることを特徴とする、半導体装置。
前記第１，第２はんだ（Ｈ１，Ｈ２）は、ＳｎＣｕ系、ＳｎＡｇ系またはＳｎＡｇＣｕ系の合金よりなる鉛フリーはんだであって、レアメタルを含まないことを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置。