JP2012190897A

JP2012190897A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2012190897A
Application number: JP2011051397A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Muraoka; 宏記村岡
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-03-09
Filing date: 2011-03-09
Publication date: 2012-10-04
Anticipated expiration: 2031-03-09
Also published as: JP5687928B2

Abstract

【課題】外観上で製品寿命を予測することにより、製品寿命による交換を適正に実施することができる半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置１０は、半導体チップ１と、半導体チップ１が取り付けられた回路基板２と、回路基板２の半導体チップ１が取り付けられた面と対向する面に取り付けられたベース板３とを備えている。ベース板３は、回路基板２が取り付けられる側の一方面３ａおよび一方面３ａに対向する他方面３ｂを有する第１の部材３１と、第１の部材３１と異なる熱膨張係数を有する第２の部材３２とを含んでいる。第２の部材３２は、第１の部材３１の表面に表れないように第１の部材３１に周囲を覆われている。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体装置に関し、特に、ベース板が取り付けられた半導体装置に関するものである。

半導体装置の一例としてパワーモジュールがある。パワーモジュールは、半導体チップ、絶縁基板、ベース板、ワイヤ、端子およびそれらを接続するはんだなどにより形成されている。半導体チップとしてＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）およびダイオードなどが搭載されている。

たとえば、特開２００４−１４６７３７号公報（特許文献１）には、絶縁基板の下面にはんだによって放熱体が接合されたパワーモジュールが開示されている。なお、このパワーモジュールでは、絶縁基板および放熱体の双方の熱膨張係数差に拘わることなく反りを抑制するとともに熱伝導率の低下を抑制するために放熱体本体に低熱膨張材が積層されている。

特開２００４−１４６７３７号公報

上記公報に開示されたパワーモジュールでは、製品動作および停止によって生じる熱履歴により絶縁基板下のはんだが脆化する。ここで熱履歴とは製品動作時の自己発熱と放熱の履歴である。絶縁基板下のはんだの脆化が製品寿命の原因となる。絶縁基板下のはんだの脆化の進行状況を観測するためにはパワーモジュールを設備から取り外して、超音波検査によりはんだの脆化の進行状況を観測する必要がある。

しかしながら、パワーモジュールを取り外して超音波検査を実施するためには、超音波検査が可能な場所へパワーモジュールを送付して超音波検査を実施する必要がある。このため、超音波検査を実施する際には設備の停止時間が長くなる。したがって、はんだの脆化の進行状況の観測は大幅な時間ロスを招くことになる。そのため、市場動作中のパワーモジュールについて、はんだの脆化の進行状況に起因する製品寿命を観測することは現実的には実施されていない。

そこで、従来、損失計算による温度上昇と冷却による温度低下を考慮し、計算により製品寿命が推定されている。そして、製品寿命が近いと推定されるパワーモジュールは、はんだの脆化の進行状況の観測することなく、新品へ交換される。そのため、実際には寿命時間が近づいていないパワーモジュールが新品へ交換されることにより無駄が生じている。

本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、外観上で製品寿命を予測することにより、製品寿命による交換を適正に実施することができる半導体装置を提供することである。

本発明の半導体装置は、半導体チップと、半導体チップが取り付けられた回路基板と、回路基板の半導体チップが取り付けられた面と対向する面に取り付けられたベース板とを備えている。ベース板は、回路基板が取り付けられる側の一方面および一方面に対向する他方面を有する第１の部材と、第１の部材と異なる熱膨張係数を有する第２の部材とを含んでいる。第２の部材は、第１の部材の表面に表れないように第１の部材に周囲を覆われている。

本発明の半導体装置によれば、ベース板の第１の部材と異なる熱膨張係数を有する第２の部材は、第１の部材の表面に表れないように第１の部材に周囲を覆われているため、熱膨張係数差による応力によって第１の部材に弾性疲労が生じる。この弾性疲労により微細なクラックが第１の部材の表面に生じる。このため第１の部材の表面の外観が変化する。この外観の変化を観測することによりはんだの脆化の進行状況に起因する半導体装置の製品寿命を予測することができる。これにより、製品寿命による半導体装置の交換を適正に実施することができる。

本発明の実施の形態１における半導体装置の概略断面図である。本発明の実施の形態１における半導体装置の製造方法の第１の工程を示す概略断面図である。図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う概略断面図である。本発明の実施の形態１における半導体装置の製造方法の第２の工程を示す概略断面図である。本発明の実施の形態１における半導体装置のベース板の概略断面図である。本発明の実施の形態１における半導体装置のベース板の概略平面図である。本発明の実施の形態２における半導体装置の概略断面図である。本発明の実施の形態３における半導体装置の概略断面図である。本発明の実施の形態３における変形例の半導体装置の概略断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
（実施の形態１）
最初に本発明の実施の形態１の半導体装置の構成について説明する。本実施の形態では半導体装置についてパワーモジュールを一例として説明する。

図１を参照して、半導体装置１０は、半導体チップ１と、回路基板２と、ベース板３とを主に備えている。なお、図１では半導体装置１０は簡略化されて図示されており、半導体チップ１に電気的に接続されるワイヤ、ワイヤに電気的に接続される端子などは図示されていない。また、ベース板３には図示されていない放熱フィンなどが取り付けられていてもよい。さらに、半導体装置１０は図示されていない封止樹脂で封止されていてもよい。

半導体チップ１はたとえばＩＧＢＴおよびダイオードなどである。回路基板２は絶縁性を有する基板で構成されており、表面および裏面に回路２ａが形成されている。半導体チップ１は、回路基板２の表面に設けられた回路２ａにはんだ４によって接合されることで、回路基板２に取り付けられている。

ベース板３は放熱性を有している。ベース板３の厚みはたとえば３ｍｍ以上６ｍｍ以下に形成されている。回路基板２の半導体チップ１が取り付けられた面と対向する面にベース板３が取り付けられている。ベース板３は、回路基板２の裏面に設けられた回路２ａにはんだ４によって接合されることで、回路基板２に取り付けられている。

ベース板３は、第１の部材３１と、第２の部材３２とを有している。第１の部材３１は、回路基板２が取り付けられる側の一方面３ａおよび一方面３ａに対向する他方面３ｂを有している。第１の部材３１はベース板３の外形を形成している。第１の部材３１は、たとえば銅、アルミニウムなどで形成されている。

第２の部材３２は、第１の部材３１と異なる熱膨張係数を有している。第２の部材３２は、第１の部材３１と異なる金属で形成されていてもよい。また、第２の部材３２は、たとえばセラミックなどで形成されていてもよい。この場合、第２の部材３２は、たとえばアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）などで形成されていてもよい。

第２の部材３２は、第１の部材３１の表面に表れないように第１の部材３１に周囲を覆われている。つまり、第２の部材３２は第１の部材３１中に埋没されている。第２の部材３２は、第１の部材３１の一方面３ａおよび他方面３ｂに沿う方向において第１の部材３１の全面には設けられておらず、局所的に設けられている。

また、第２の部材３２は、第１の部材３１中の他方面３ｂ付近に配置されている。第２の部材３２は、一方面３ａと他方面３ｂとの中間地点より他方面３ｂ側に位置している。つまり、第２の部材３２は、他方面３ｂ側から一方面３ａと他方面３ｂとが対向する方向における第１の部材３１の厚みの２分の１以下の位置に配置されている。

次に、本実施の形態の半導体装置のベース板の外観が変化する様子について説明する。
第２の部材３２は、第１の部材３１と異なる熱膨張係数を有しており、第１の部材３１の表面に表れないように第１の部材３１に周囲を覆われている。半導体装置１０は動作および停止を繰り返すことで発熱および放熱を繰り返す。この際、熱膨張係数差による応力によって第１の部材３１に弾性疲労が生じる。この弾性疲労により微細なクラックが第１の部材３１の表面に生じる。微細なクラックは、一方面３ａと他方面３ｂとが対向する方向から見て第２の部材３２と重なる第１の部材３１の表面に生じる。この微細なクラックにより第１の部材３１の表面が白変する。これにより、第１の部材３１の表面に白変箇所５が生じる。

本実施の形態では、第２の部材３２は、一方面３ａと他方面３ｂとの中間地点より他方面３ｂ側に位置している。微細なクラックは、第２の部材３２から距離が近い第１の部材３１の表面に早い段階で発生する。そのため、微細なクラックは、第１の部材３１の他方面３ｂに生じる。このため第１の部材３１の他方面３ｂの外観が変化する。つまり、第１の部材３１の他方面３ｂに白変箇所５が生じる。

白変箇所５の有無によりはんだ４の脆化の進行状況に起因する半導体装置１０の製品寿命が予測される。また、白変の程度によってもはんだ４の脆化の進行状況に起因する半導体装置１０の製品寿命が予測される。実際に温度サイクル試験を実施して作成した限度見本と白変の状態とを比較することで、製品寿命の進行状況が判断される。

なお、仮に第２の部材３２が一方面３ａと他方面３ｂとの中間地点より一方面３ａ側に位置している場合には、他方面３ｂで外観の変化が識別可能となる以前に第１の部材３１の内部に白変が生じることで熱抵抗への影響が推定される。そのため、第２の部材３２は、一方面３ａと他方面３ｂとの中間地点より他方面３ｂ側に位置していることが好ましい。

次に、本実施の形態の半導体装置の製造方法について説明する。
まず、本実施の形態のベース板３の製造方法を説明する。ベース板３はたとえば鋳造で形成され得る。図２および図３を参照して、たとえばセラミックからなる第２の部材３２に固定用孔１１が形成されている。この固定用孔１１に固定用ピン１２が挿入されている。固定用ピン１２は、鋳型１３の内部空間の上端と下端とに挟まれることで鋳型１３に固定されている。固定用ピン１２に支持された第２の部材３２は鋳型１３の内壁に接しないように鋳型１３の下方に配置されている。

続いて、図４を参照して、鋳型１３内に、たとえば溶融したアルミニウムが流し込まれる。このアルミニウムにより第１の部材３１が形成される。このアルミニウムが冷却された後、鋳型１３がたとえば上下に分割されることで、鋳型１３から第１の部材３１、第２の部材３２および固定用ピン１２が取り外される。これにより、図５および図６に示されるようにベース板３が形成される。

再び図１を参照して、上記のように製造されたベース板３と、半導体チップ１、回路基板２などが準備される。ベース板３の所定に位置に回路基板２がはんだ付けされる。続いて、回路基板２の回路２ａの所定の位置に半導体チップ１がはんだ付けされる。続いて、図示されていないワイヤおよび端子と半導体チップ１とが電気的に接続される。

次に、本実施の形態の半導体装置の作用効果について説明する。
本実施の形態の半導体装置１０によれば、ベース板３の第１の部材３１と異なる熱膨張係数を有する第２の部材３２は、第１の部材３１の表面に表れないように第１の部材３１に周囲を覆われているため、熱膨張係数差による応力によって第１の部材３１に弾性疲労が生じる。この弾性疲労により微細なクラックが第１の部材３１の表面に生じる。このため第１の部材３１の表面の外観が変化する。この外観の変化を観測することによりはんだ４の脆化の進行状況に起因する半導体装置１０の製品寿命を予測することができる。これにより、製品寿命による半導体装置１０の交換を適正に実施することができる。

また、本実施の形態の半導体装置１０によれば、第２の部材３２は、一方面３ａと他方面３ｂとの中間地点より他方面３ｂ側に位置しているため、微細なクラックを第１の部材３１の他方面３ｂに生じさせることができる。第１の部材３１の他方面３ｂには回路基板２がはんだ付けされていないため、他方面３ｂの外観の変化を容易に観測することができる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２では、本発明の実施の形態１と比較して、ベース板の構成が主に異なっている。

図７を参照して、本実施の形態の半導体装置１０では、ベース板３の第２の部材３２は、第１の部分３２ａと第２の部分３２ｂとを有している。第２の部分３２ｂは、第１の部分３２ａとは一方面３ａと他方面３ｂとが対向する方向において異なる高さに位置している。第１の部分３２ａと第２の部分３２ｂとは互いに分離している。第１の部分３２ａと第２の部分３２ｂとは階段状に設けられている。

白変箇所５は、第２の部材３２からの距離が近い第１の部材３１の表面から発生する。本実施の形態では、第１の部分３２ａは、第２の部分３２ｂより第１の部材３１の他方面３ｂの近くに位置している。そのため、まず一方面３ａと他方面３ｂとが対向する方向から見て第１の部分３２ａと重なる第１の部材３１の表面に白変箇所５が生じる。続いて、一方面３ａと他方面３ｂとが対向する方向から見て第２の部分３２ｂと重なる第１の部材３１の表面に白変箇所５が生じる。

なお、本実施の形態のこれ以外の構成および製造方法は上述した実施の形態１と同様であるため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施の形態の半導体装置１０によれば、第１の部分３２ａと第２の部分３２ｂとは、一方面３ａと他方面３ｂとが対向する方向において異なる高さに位置しているため、白変箇所５を段階的に生じさせることができる。このため、はんだ４の脆化の進行状況を段階的に観測することができる。これにより、はんだ４の脆化の進行状況に起因する半導体装置１０の製品寿命を段階的に予測することができる。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３では、本発明の実施の形態１と比較して、ベース板の構成が主に異なっている。

図８を参照して、本実施の形態の半導体装置１０では、ベース板３の第２の部材３２は、一方面３ａと他方面３ｂとが対向する方向に対して斜めに延びるように位置している。
第２の部材３２は一直線状に延びるように設けられている。

まず、一方面３ａと他方面３ｂとが対向する方向から見て、第２の部材３２の他方面３ｂに最も近い部分と重なる第１の部材３１の表面に白変箇所５が生じる。続いて、第２の部材３２の他方面３ｂに近い部分から遠い部分に順に白変箇所５が生じる。図８では、左側から右側に向かって連続的に白変箇所５が生じる。

また、図９を参照して、本実施の形態の半導体装置１０の変形例に示すように、第２の部材３２は階段状に延びるように設けられていてもよい。この変形例では、まず、一方面３ａと他方面３ｂとが対向する方向から見て、第２の部材３２の他方面３ｂに最も近い部分と重なる第１の部材３１の表面に白変箇所５が生じる。続いて、第２の部材３２の他方面３ｂに次に近い部分に白変箇所５が生じる。さらに、第２の部材３２の他方面３ｂに最も遠い部分に白変箇所５が生じる。図９では、左側から右側に向かって連続的に白変箇所５が生じる。

本実施の形態の半導体装置１０によれば、第２の部材３２は、一方面３ａと他方面３ｂとが対向する方向に対して斜めに延びるように位置しているため、白変箇所５を連続的に生じさせることができる。このため、はんだ４の脆化の進行状況を連続的に観測することができる。これにより、はんだ４の脆化の進行状況に起因する半導体装置１０の製品寿命を連続的に予測することができる。

上記の各実施の形態は適宜組み合わせることができる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１半導体チップ、２回路基板、２ａ回路、３ベース板、３ａ一方面、３ｂ他方面、４はんだ、５白変箇所、１０半導体装置、１１固定用孔、１２固定用ピン、１３鋳型、３１第１の部材、３２第２の部材、３２ａ第１の部分、３２ｂ第２の部分。

Claims

半導体チップと、
前記半導体チップが取り付けられた回路基板と、
前記回路基板の前記半導体チップが取り付けられた面と対向する面に取り付けられたベース板とを備え、
前記ベース板は、
前記回路基板が取り付けられる側の一方面および前記一方面に対向する他方面を有する第１の部材と、
前記第１の部材と異なる熱膨張係数を有する第２の部材とを含み、
前記第２の部材は、前記第１の部材の表面に表れないように前記第１の部材に周囲を覆われている、半導体装置。
前記第２の部材は、前記一方面と前記他方面との中間地点より前記他方面側に位置している、請求項１に記載の半導体装置。
前記第２の部材は、
第１の部分と、
前記第１の部分とは前記一方面と前記他方面とが対向する方向において前記異なる高さに位置する第２の部分とを含む、請求項１または２に記載の半導体装置。
前記第２の部材は、前記一方面と前記他方面とが対向する方向に対して斜めに延びるように位置している、請求項１または２に記載の半導体装置。
前記第２の部材はセラミックからなる、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置。