JP2012079962A - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】絶縁基板上1に設けられた電極パターン2上面に接合材7,70を介して半導体素子5,6が固着された半導体素子基板4を金属のベース板10上に配置し、少なくとも絶縁基板および半導体素子を封止樹脂12により被覆した半導体装置において、半導体素子の電極パターンに接合された面とは逆の面の一部と接触するように、封止樹脂よりも線膨張率が大きい膨張押圧部材9を封止樹脂で被覆されるように設けた。
【選択図】図2
Description
図1は、本発明の実施の形態1による半導体装置の構造であって、封止樹脂と配線を省略して示す基本構造の上面図、図2は図1のA−A位置に相当する位置で切断した断面図であり封止樹脂12と配線13を含めて示している。絶縁基板1の上面に電極パターン2、裏面に裏面電極3が貼られた半導体素子基板4の電極パターン2の表面に半導体素子5、6がはんだなどの接合材7、70で固着されている。ここで、例えば半導体素子5は大電流を制御するMOSFETのような電力用半導体素子であり、半導体素子6は例えば電力用半導体素子5に並列に設けられる還流用のダイオードである。半導体素子基板4は裏面電極3側がベース板10に固着されており、ベース板10が底板となり、このベース板10とケース側板11とでケースが形成され、このケース内に封止樹脂12を注入してモールドする。各半導体素子には各半導体素子の電極などを外部に電気接続するための配線13が接続され、配線13が端子14に接続されている。大電流を制御し発熱が大きい電力用半導体素子5の上面(電極パターン2に接合された面とは逆の面)には、この上面の一部と接触するように膨張押圧部材9が5箇所設けられている。また、膨張押圧部材91が、接合材7が半導体素子5の周囲にはみ出した部分を覆うように設けられている。一方、発熱が小さい半導体素子6には膨張押圧部材を設けていない。
た半導体装置に半導体素子が4個しか搭載されていないが、これに限定するものではなく、使用される用途に応じて必要な個数の半導体素子を搭載することができる。
を用いても良い。また、端子14及び電極パターン2は、封止樹脂12に埋設されるため、樹脂との密着性を向上させるため表面に微小な凹凸を設けても良く、化学的に結合するようにシランカップリング剤などで接着補助層を設けても良い。
銅やアルミの電極パターン2および裏面電極3を設けてあるものを指す。半導体素子基板4は、放熱性と絶縁性を備えることが必要であり、上記に限らず、セラミック粉を分散させた樹脂硬化物、あるいはセラミック板を埋め込んだ樹脂硬化物のような絶縁基板1に電極パターン2および裏面電極3を設けたものでも良い。また、絶縁基板1に使用するセラミック粉は、Al2O3、SiO2、AlN、BN、Si3N4などが用いられるが、これに限定するもので
はなく、ダイヤモンド、SiC、B2O3、などを用いても良い。また、シリコーン樹脂やアク
リル樹脂などの樹脂製の粉を用いても良い。粉形状は、球状を用いることが多いが、これに限定するものではなく、破砕状、粒状、リン片状、凝集体などを用いても良い。粉体の充填量は、必要な放熱性と絶縁性が得られる量が充填されていれば良い。絶縁基板1に用いる樹脂は、通常エポキシ樹脂が用いられるが、これに限定するものではなく、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂などを用いても良く、絶縁性と接着性を兼ね備えた材料であれば構わない。
して用いるが、これに限定するものではなく、AlN、BN、Si3N4、ダイヤモンド、SiC、B2O3などを添加しても良く、シリコーン樹脂やアクリル樹脂などの樹脂製の粉を添加しても
良い。粉形状は、球状を用いることが多いが、これに限定するものではなく、破砕状、粒状、リン片状、凝集体などを用いても良い。粉体の充填量は、必要な流動性や絶縁性や接着性が得られる量であれば良い。
のようにして、接合材7の膨張を抑える力が働き、接合材7の剥離や亀裂を抑制することができる。
図4は、本発明の実施の形態2による半導体装置の構造を示す断面図である。図4において、図2と同一符号は、同一または相当する部分を示す。本実施の形態2では、配線131、132として銅板を用いている。高温になる半導体素子5への配線131は接合材71で接合されており、配線131の上部に膨張押圧部材92を設けている。一方、半導体素子6と配線132が接合材72で接合されているが、半導体素子6は発熱が少なく温度上昇が小さいため、接合材72の膨張も小さいので膨張押圧部材は設けていない。
図5は、本発明の実施の形態3による半導体装置の構造を示す要部断面図であり、封止
樹脂12で覆われる前の様子を示している。図5において、図2と同一符号は、同一または相当する部分を示す。膨張押圧部材は配線と接触しない状態が望ましいが、本実施の形態3では、半導体素子5の上部に設けられた膨張押圧部材9が一部配線13と接触している。ただし、配線13の半導体素子5と接合された部分と、膨張押圧部材9が半導体素子5と接触する部分とが連続するように膨張押圧部材9と配線13が接触しており、図5に示すように、半導体素子5の表面から膨張押圧部材9が配線13に接触している高さHが定義できる。また、配線13の半導体素子5の表面からの高さ、すなわち配線13の厚みをLとする。種々実験した結果、接触部が増加して膨張押圧部材9が配線13に接触している高さHがLよりも大きくなると、接合材7の剥離や亀裂を防止する効果が少なくなることが判った。
本実施の形態4では、パワーサイクル試験用の半導体装置モジュールを、種々の材料による膨張押圧部材を用いて作製し、パワーサイクル試験を行った結果を実施例として示す。図6は、パワーサイクル試験を行ったモジュールの上面図であり、配線および封止樹脂は省略して示しているが、試験を行ったモジュールは半導体素子5と端子14との間には配線が設けられ、図2と同様、封止樹脂で覆われている。図6において図1と同一符号は同一または相当する部分を示す。モジュール内部には、SiC半導体素子5を1個搭載し、半導体素子5の上面に膨張押圧部材9を5箇所、接合材の周辺に膨張押圧部材91を設けている。
図7に、封止樹脂12に線膨張率が24ppmのサンユレック製EX-550(エポキシ樹脂)
を用いて、膨張押圧部材の線膨張率を変えたときのパワーサイクル試験の結果を示す。パワーモジュールには、ベース板10のサイズが50×92×3mm、AlNを用いた絶縁基板1のサイズが23.2×23.4×1.12mm、SiCを用いた半導体素子5のサイズが5×5×0.35mm、接合材
には千住金属製M731、ポリフェニレンサルファイド(PPS)を用いたケース側板11、直
径が0.4mmのアルミを用いた配線13を使用した。封止樹脂12として線膨張率24ppmを用いるのは、銅のベース板10の線膨張率と同程度とするためであり、通常、封止樹脂の線膨張率はほぼこの程度の線膨張率に設定される。
したら通電を止め、半導体素子5の温度が85℃になるまで冷却し、これを1サイクルとして、通電、通電停止を繰り返し行った。
キシ樹脂)にデンカ製の平均粒径5umのシリカフィラーを48vol%添加し、線膨張率を約30ppmに調整した。この時、パワーサイクル試験の結果は110000サイクルで配線が溶断することがわかった。また、半導体素子下の接合材にはクラックが発生していたことから、接合材のクラックにより、半導体素子5の熱が放熱できなくなり、配線が溶断したと考えられる。一方、膨張押圧部材を設けない構造であれば、パワーサイクル寿命は約100000サイクルであった。
カ製の平均粒径5umのシリカフィラーを35vol%添加し、線膨張率を約40ppmに調整した。この時、パワーサイクル試験の寿命は約180000サイクルに達することがわかった。
レダウコーニング製SE1885M(シリコーン樹脂)を用いて、パワーサイクル試験した結果
、寿命が約190000サイクルに達することがわかった。
して、線膨張率40ppm以上のものを用いるとパワーサイクル試験における長寿命化の効果
が大きいことが判った。また、線膨張率が1000ppmより大きい樹脂硬化物は架橋が少なく
、液体に近くなるため実用的ではない。このように、膨張押圧部材の線膨張率は40ppm以
上1000ppm以下が好ましい。
図8に、封止樹脂に線膨張率が19ppmのLOCTITE製FP-4450HF(エポキシ樹脂)を用いて
、膨張押圧部材の線膨張率を変えたときのパワーサイクル試験の結果を示す。パワーモジュールには、ベース板10のサイズが85×120×3mm、Si3N4を用いた絶縁基板1のサイズが23.2×23.4×1.12mm、SiCを用いた半導体素子5のサイズが5×5×0.35mm、接合材には千住金属製M731、ポリフェニレンサルファイド(PPS)を用いたケース側板11、直径が0.4mmのアルミを用いた配線13を部材に使用した。
で寿命に達する事がわかった。また、例6から例8に示す様に膨張押圧部材の線膨張率が40〜1000ppmの範囲であれば、膨張押圧部材を設けない時(パワーサイクル寿命:110000
サイクル)に比べて、半導体装置の信頼性が向上することがわかった。この実施例2においても、膨張押圧部材の線膨張率は40ppm以上1000ppm以下が好ましいことがわかった。
図6に示した試験用モジュールの配線として図4と同様の銅板の配線を用いた構造でパワーサイクル試験した結果を図9に示す。封止樹脂に線膨張率が24ppmのサンユレック製
EX-550を用いて、膨張押圧部材の線膨張率を変えたときのパワーサイクル試験の結果を示す。パワーモジュールには、ベース板10のサイズが50×92×3mm、AlNを用いた絶縁基板1のサイズが23.2×23.4×1.12mm、SiCを用いた半導体素子5のサイズが5×5×0.35mm
、接合材には千住金属製M731、ポリフェニレンサルファイド(PPS)を用いたケース側板
11、厚さが0.5mmの銅板を用いた配線を部材に使用した。
張押圧部材9および91として、線膨張率40ppm以上のものを用いるとパワーサイクル試
験における長寿命化の効果が大きいことが判った。また、線膨張率が1000ppmより大きい
樹脂硬化物は、液体に近くなるため実用的ではない。封止樹脂12の線膨張率は、モジュールに用いられる他の材料、特にベース板の線膨張率に近い線膨張率に設定されるため、通常20ppm前後に設定される。従って、膨張押圧部材の線膨張率は40ppm以上1000ppm以下が好ましい。
本実施の形態5では、本発明の膨張押圧部材を設けた半導体装置の製造方法について説明する。図10に半導体装置の製造工程のフロー図を示す。以下、実施の形態4で説明したパワーサイクル試験に用いたモジュールの作製を例にとって説明する。サイズが40×80×3mmの銅のベース板10上に接合材(第一の接合材とも称する)である千住金属製M731
ペーストを塗布し、水素還元下で、290℃に加熱し、接合材が溶融したら、サイズが40×50×1.12mmのAlN絶縁基板1の表裏面に0.4mm厚の銅の電極パターン2、裏面電極3が設けられた半導体素子基板4を搭載してベース板10と接合する(ST1)。接合後は、室温まで冷却し、半導体素子基板の表面に接合材(第二の接合材とも称する)である千住金属製M20ペーストを塗布する。この第二の接合材の融点は第一の接合材の融点より低い。
水素還元した後、260℃(第二の接合材の融点よりも高く第一の接合材の融点よりも低い
温度まで)に加熱し、接合材が溶融したら、SiC半導体素子5を搭載し、半導体素子基板
4に半導体素子5を接合する(ST2)。この時、接合材および金属表面の酸化膜を取り除くために蟻酸雰囲気で還元しても良く、フラックスを用いても良い。なお、第二の接合材が図2などで示す接合材7に相当する。
線する(ST5)。その後、ケース側板11とベース板10で形成されたケース内に封止樹脂材料であるサンユレック製EX-550を注入し、10torr×1時間脱泡した後、125℃×3時
間 + 150℃×3時間の樹脂硬化を行い(ST6)、パワーモジュールの作製が完了する。
、東レダウコーニング製SE1885Mであれば、120℃×1時間の樹脂硬化を行う。また、封止
樹脂がLOCTITE製FP4450HFの場合は、125℃×30分+165℃×90分の樹脂硬化を行う。
3:裏面電極 4:半導体素子基板
5、6:半導体素子 7、70〜72:接合材
9、91、92:膨張押圧部材 10:ベース板
11:ケース側板 12:封止樹脂
13:配線 14:端子
Claims (9)
- 絶縁基板上に設けられた電極パターン上面に接合材を介して半導体素子が固着された半導体素子基板を金属のベース板上に配置し、少なくとも上記絶縁基板および上記半導体素子を封止樹脂により被覆した半導体装置において、上記半導体素子の上記電極パターンに接合された面とは逆の面の一部と接触するように、上記封止樹脂よりも線膨張率が大きい膨張押圧部材を上記封止樹脂で被覆されるように設けたことを特徴とする半導体装置。
- 膨張押圧部材の線膨張率は40ppm以上1000ppm以下であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 半導体素子の電極パターンと接合された面とは逆の面に配線が接合され、膨張押圧部材が上記配線と接触していないことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 半導体素子の電極パターンと接合された面とは逆の面に配線が接合され、この配線の上記半導体素子と接合された部分と、膨張押圧部材が上記半導体素子と接触する部分とが連続するように上記膨張押圧部材と上記配線が接触しており、上記膨張押圧部材と上記配線が接触している部分の上記半導体素子からの高さが、上記配線の上記半導体素子へ接合されている部分の厚みよりも低いことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 半導体素子の電極パターンと接合された面とは逆の面に板状の配線が接合され、この配線の上記半導体素子と接合された面とは逆の面に、封止樹脂よりも線膨張率が大きい膨張押圧部材を設けたことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 半導体素子を電極パターンに接合する接合材が上記半導体素子と上記電極パターンとの間から外部に露出しており、この露出した接合材を被覆するように、封止樹脂よりも線膨張率が大きい膨張押圧部材を設けたことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 半導体素子がワイドバンドギャップ半導体により形成されていることを特徴とする請求項1〜6いずれか1項に記載の半導体装置。
- ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドの半導体であることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置。
- 請求項1に記載の半導体装置の製造方法であって、
ベース板に第一の接合材を塗布し、このベース板を上記第一の接合材の融点よりも高い温度に加熱した後上記第一の接合材が塗布された上に半導体素子基板を搭載して、上記ベース板と上記半導体素子基板を接合する工程と、
上記半導体素子基板の表面に上記第一の接合材よりも融点が低い第二の接合材を塗布し、上記半導体素子基板を上記第二の接合材の融点よりも高く上記第一の接合材の融点よりも低い温度まで加熱した後上記第二の接合材が塗布された上記半導体素子基板の面に半導体素子を搭載して、上記半導体素子基板と上記半導体素子を接合する工程と、
上記半導体素子の上記半導体素子基板に接合された面とは逆の面の一部に高膨張性樹脂材料を塗布した後上記高膨張性樹脂材料を硬化させて膨張押圧部材を形成する工程と、
上記ベース板に端子が取り付けられたケース側板を接合する工程と、
上記半導体素子と上記端子との間を配線により接続する工程と、
上記ケース側板と上記ベース板とで囲まれた空間に、上記膨張押圧部材よりも線膨張率が小さい樹脂を注入してこの樹脂を硬化させて封止樹脂を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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