JP2013219194A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、パワーモジュール等に用いられる半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device used for a power module or the like.
金属ベース上に、半導体チップを半田付けすることで、金属ベースを介して放熱が促進されるようにした半導体装置が知られている。このような半導体装置は、ヒートサイクル試験時に、温度上昇と冷却を繰り返すと、半田層に疲労が蓄積し、半田が劣化して破壊に至る場合がある。 2. Description of the Related Art A semiconductor device is known in which heat radiation is promoted through a metal base by soldering a semiconductor chip on the metal base. In such a semiconductor device, if the temperature rise and cooling are repeated during the heat cycle test, fatigue may accumulate in the solder layer, and the solder may deteriorate and break down.
そこで、特許文献1では、ベース板の半導体チップ外周近傍に対向する位置に突起を設け、突起の外側に溝を形成するなどして、劣化が起こりやすい半田付け端部の厚みを調整し、疲労耐量を向上させている。
Therefore, in
上記特許文献1のように金属ベースに溝を形成する場合、横から見て金属ベースを半導体チップより長くする必要があるため、半導体装置の小型化を阻害する要因となる。
When the groove is formed in the metal base as in
また、半導体チップを金属ベースの両面に半田付けする場合、両面に溝を形成すると、溝部分の金属ベースが薄くなり、局所的に剛性が低下するので、金属ベースが変形しやすく、加工が難しくなる。 In addition, when soldering a semiconductor chip on both sides of a metal base, if grooves are formed on both sides, the metal base in the groove portion becomes thin and the rigidity is locally reduced, so the metal base is easily deformed and difficult to process. Become.
さらに、半導体チップとしてメサ等の耐圧保持構造がある場合、チップ端部と金属ベースとの距離が短く、放電しやすくなってしまう。特に半田量が多く、半田溶融時にパターンから流れた半田が金属ベースに付着して半田ボールになっているときなど、チップ端部と金属ベースとの距離が近くなるため、より放電しやすくなるという問題が生じる。 In addition, when the semiconductor chip has a pressure-resistant holding structure such as a mesa, the distance between the chip end and the metal base is short, and it becomes easy to discharge. In particular, when the amount of solder is large and the solder that flows from the pattern when the solder melts adheres to the metal base and forms a solder ball, the distance between the chip end and the metal base is reduced, which makes it easier to discharge. Problems arise.
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、簡単な構成で、ヒートサイクル試験時に劣化しやすい半田付け端部の厚みを増すことが出来、半田の疲労耐量を向上させることが出来る半導体装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and has a simple structure, a semiconductor device capable of increasing the thickness of a soldering end portion that is likely to deteriorate during a heat cycle test, and improving the solder fatigue resistance. The purpose is to provide.
半導体装置は、剛性を有する板状のベース体と、ベース体上に半田付けにより搭載される部品と、を有する。そして、この発明の半導体装置では、ベース体は、部品搭載面に、部品面積よりもひとまわり小さい面積で形成される凸部を有し、部品は、凸部の中央に整合して前記ベース体上に半田付けされる。 The semiconductor device has a plate-like base body having rigidity and components mounted on the base body by soldering. In the semiconductor device of the present invention, the base body has a convex portion formed on the component mounting surface with an area slightly smaller than the component area, and the component is aligned with the center of the convex portion and the base body Soldered on top.
本発明では、半田付け端部の厚みを増すために、ベース体の対応する箇所に溝を形成する必要がない。よって、横から見てベース体を半導体チップより長くする必要がないため、半導体装置の小型化を実現可能である。また、ベース体の剛性が局所的に低下することがなく、ベース体の加工性を確保することが出来る。 In the present invention, in order to increase the thickness of the soldering end portion, it is not necessary to form a groove in a corresponding portion of the base body. Therefore, since it is not necessary to make the base body longer than the semiconductor chip when viewed from the side, it is possible to reduce the size of the semiconductor device. In addition, the base body rigidity is not locally reduced, and the workability of the base body can be ensured.
凸部はベース体と一体で形成することも可能であるし、ベース体に、ベース体と熱膨張係数の略等しい材質の板片を半田付けまたは接着することにより形成することも出来る。 The convex portion can be formed integrally with the base body, or can be formed by soldering or bonding a plate piece of a material having substantially the same thermal expansion coefficient as the base body to the base body.
凸部の形状は、立方体、直方体、円柱(いずれも断面形状が矩形。)の他、側面が鋭角の斜面に形成された立体(断面形状が底辺の長い台形。)としても良い。凸部の断面形状を台形とした場合は、ヒートサイクル試験時にベース体のエッジと半田とが当接する部分に集中する力が凸部の斜面に沿って分散されるため、半田がひび割れするのをより効果的に防止出来る。 The shape of the convex portion may be a cube, a rectangular parallelepiped, or a cylinder (all of which have a rectangular cross-sectional shape), or a solid (a trapezoid with a long cross-sectional shape) having a side surface formed on an inclined surface having an acute angle. When the cross-sectional shape of the convex part is a trapezoid, the force that concentrates on the part where the edge of the base body and the solder abuts during the heat cycle test is distributed along the slope of the convex part, so that the solder cracks. It can be prevented more effectively.
凸部がベース体の両面に形成されると、ベース体の表裏を有効利用してコンパクトに部品を搭載することが可能である。また、ベース体の使用量を減らせるため、コストの削減にもなる。 When the convex portions are formed on both sides of the base body, it is possible to mount components compactly by effectively using the front and back surfaces of the base body. In addition, since the amount of the base body used can be reduced, the cost can be reduced.
ベース体に搭載される部品としては、半導体チップの他、DBC(Direct Bonding Copper)基板を用いることも出来る。また、ベース体にDBC基板を使用することも可能である。 As a component mounted on the base body, a DBC (Direct Bonding Copper) substrate can be used in addition to a semiconductor chip. It is also possible to use a DBC substrate for the base body.
この発明によれば、簡単な構成で、ヒートサイクル試験時に劣化しやすい半田付け端部の厚みを増すことが出来、半田の疲労耐量を向上させることが出来る。 According to the present invention, it is possible to increase the thickness of the soldering end portion that is likely to deteriorate during the heat cycle test with a simple configuration, and to improve the solder fatigue resistance.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態に係る半導体装置を説明する。 Hereinafter, semiconductor devices according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1(A)〜図1(C)は第1の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。図1(A)〜図1(C)に示すように、第1の実施形態に係る半導体装置1は、金属ベース2および半導体チップ3を有する。
FIG. 1A to FIG. 1C are cross-sectional views showing the semiconductor device according to the first embodiment. As shown in FIGS. 1A to 1C, the
金属ベース2は熱伝導性の高い材料(例えば、銅)によって形成された剛性を有する板状の部材である。金属ベース2の半導体チップ3搭載面に凸部2Aが形成され、凸部2A上の中央に整合させて半導体チップ3が半田4で半田付けされる。凸部2A上面の面積は、半導体チップ3の面積よりもひとまわり小さいサイズに設定されている。そのため、半導体チップ3の端部は、凸部2Aよりも一段低い面で金属ベース2と半田付けされることになり、この部分の半田4の厚みを増すことになる。
The
本発明では、半田付け端部の厚みを増すために、金属ベース2の対応する箇所に溝を形成する必要がない。よって、横から見て金属ベース2を半導体チップ3より長くする必要がないため、半導体装置1の小型化を実現可能である。また、金属ベース2の剛性が局所的に低下することがなく、金属ベースの加工性を確保することが出来る。
In the present invention, it is not necessary to form a groove at a corresponding location on the
凸部2Aは、金属ベース2の所望部分をエッチングしたり、プレス成形すれば、簡単に金属ベース2と一体形成することが出来る。
The
凸部2Aの形状は、図1(A)のような立方体、直方体、円柱(いずれも断面形状が矩形。)の他、図1(B)に示すように、側面が鋭角の斜面に形成された立体(断面形状が底辺の長い台形。)としても良い。図1(B)のように凸部2Aの断面形状を台形とした場合は、ヒートサイクル試験時に金属ベース2のエッジと半田4とが当接する部分に集中する力が凸部2Aの斜面に沿って分散されるため、半田4がひび割れするのをより効果的に防止出来る。
The shape of the
図1(C)に示すように、端部に耐圧保持構造がある半導体チップ3’を接合する場合でも、半導体チップ3を凸部2Aで高い位置に持ち上げているため、半導体チップ3端部と金属ベース2の距離を長く取ることが出来、放電を効果的に防止出来る。金属ベース2上に半導体チップ3’を接合した後に、樹脂(不図示。)でモールドするが、金属ベース2とチップ端部との距離が離れているため、両者の隙間に樹脂が回りこみやすく、モールド加工が容易で、樹脂で確実に絶縁することが出来る。
As shown in FIG. 1C, even when the
図1(A)、図1(B)のように、端部に耐圧保持構造がない半導体チップ3を金属ベース2上に接合したものでは、半導体チップ3と金属ベース2との面積が等しい場合、全体でほぼ四角形状の周囲を樹脂でモールドするだけなので、モールドが容易に行える。
As shown in FIGS. 1A and 1B, when the
このような本発明の作用効果は以下に例示する種々の実施形態においても同様に得られることになる。 Such effects of the present invention can be obtained in the same manner in various embodiments exemplified below.
図2は、第2の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。図2に示すように、第2の実施形態に係る半導体装置1では、平板状の金属ベース2上に、金属ベース2と熱膨張係数の略等しい材質の板片5を半田6により接合することにより、金属ベース2とは異なる別部材で金属ベース2の半導体チップ3搭載面に凸部を形成したものである。なお、半田6に替えて接着剤を用いても良い。板片5は、金属ベース2と同一の材質で作製するのが好適である。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to the second embodiment. As shown in FIG. 2, in the
この実施形態によると、凸部を形成するために金属ベース2を加工することが不要となる。
According to this embodiment, it is not necessary to process the
図3(A)、図3(B)は、第3の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。図3(A)、図3(B)に示すように、第3の実施形態に係る半導体装置1では、凸部2Aを金属ベース2の上下両面に形成し、金属ベース2の両面に半導体チップ3を半田付けにより接合するようにしたものである。このようにしても、金属ベース2の強度が保たれるため、容易に加工することが出来る。
FIG. 3A and FIG. 3B are cross-sectional views showing a semiconductor device according to the third embodiment. As shown in FIGS. 3A and 3B, in the
この実施形態によると、金属ベース2の表裏を有効利用してコンパクトに半導体チップ3を搭載することが可能である。また、金属ベース2の使用量を減らせるため、コストの削減にもなる。
According to this embodiment, it is possible to mount the
図4は、第4の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。第4の実施形態に係る半導体装置1では、金属ベース2の凸部2Aに接合される部品として、半導体チップ3に替えて、DBC(Direct Bonding Copper)基板7を用いたものである。DBC基板7は、図示のようにセラミック基板71の表裏面に銅板72,73が張り合わされた構成である。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to the fourth embodiment. In the
図5は、第5の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。第5の実施形態に係る半導体装置1では、ベース体として、金属ベース2の代わりに、上記DBC基板7を用い、セラミック基板71表面の銅板72に半導体チップ3が接合される凸部72Aを形成したものである。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to the fifth embodiment. In the
以上、本発明によると、簡単な構成で、ヒートサイクル試験時に劣化しやすい半田付け端部の厚みを増すことが出来、半田の疲労耐量を向上させることが出来る。 As described above, according to the present invention, it is possible to increase the thickness of the soldered end portion that is likely to deteriorate during the heat cycle test with a simple configuration, and to improve the fatigue resistance of the solder.
上述の実施形態の説明は、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。この発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、この発明の範囲には、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。 The above description of the embodiment is to be considered in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above-described embodiments but by the claims. Furthermore, the scope of the present invention is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the claims.
1…半導体装置
2…金属ベース
2A…凸部
3…半導体チップ
4…半田
5…板片
7…DBC基板
71…セラミック基板
72…銅板
72,73…銅板
72A…凸部
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記ベース体上に半田付けにより搭載される部品と、
を有する半導体装置において、
前記ベース体は、前記部品搭載面に、前記部品面積よりもひとまわり小さい面積で形成される凸部を有し、前記部品は、前記凸部の中央に整合して前記ベース体上に半田付けされる半導体装置。 A plate-like base body having rigidity;
A component mounted by soldering on the base body;
In a semiconductor device having
The base body has a convex portion formed on the component mounting surface with an area slightly smaller than the component area, and the component is soldered onto the base body in alignment with the center of the convex portion. Semiconductor device.
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