JP2015090965A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、大幅なはんだ量の増加なくはんだ付け強度を向上させることができる半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device that can improve soldering strength without a significant increase in the amount of solder.
電力用の半導体装置(パワーモジュール)において、中空のケースが配線基板及び半導体チップを取り囲むように放熱板に接合され、ケースに固定された電極端子の平面部が配線基板にはんだにより接合されている。 In a power semiconductor device (power module), a hollow case is joined to a heat sink so as to surround the wiring board and the semiconductor chip, and a flat portion of the electrode terminal fixed to the case is joined to the wiring board by solder. .
しかし、半導体装置の動作中に温度が上昇し、配線基板と電極端子のはんだ接合面に線膨張係数の違いに起因して熱応力が発生する。これにより、電極端子が配線基板から剥離して故障が発生するという問題があった。これに対して、電極端子の平面部に貫通孔を設けることが提案されている(例えば、特許文献1参照)。貫通孔を通って平面部の上面に存在するはんだがリベットになるため、はんだバルクによるアンカー効果が得られ、はんだ付け強度を向上させることができる。 However, the temperature rises during the operation of the semiconductor device, and thermal stress is generated on the solder joint surface between the wiring board and the electrode terminal due to the difference in coefficient of linear expansion. As a result, there has been a problem that the electrode terminal is peeled off from the wiring board and a failure occurs. On the other hand, providing a through-hole in the flat part of an electrode terminal is proposed (for example, refer to patent documents 1). Since the solder existing on the upper surface of the flat portion through the through hole becomes a rivet, an anchor effect by the solder bulk can be obtained and the soldering strength can be improved.
しかし、単純な貫通孔のみではリベットを構成するために、はんだ量を大幅に増加する必要がある。 However, in order to form a rivet with only a simple through hole, it is necessary to greatly increase the amount of solder.
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は大幅なはんだ量の増加なくはんだ付け強度を向上させることができる半導体装置を得るものである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to obtain a semiconductor device capable of improving the soldering strength without a significant increase in the amount of solder.
本発明に係る半導体装置は、放熱板と、前記放熱板上に配置された配線基板と、前記配線基板上に実装された半導体チップと、前記配線基板及び前記半導体チップを取り囲むように前記放熱板に接合された中空のケースと、前記ケースに固定される固定部と、前記ケース内において前記配線基板にはんだにより接合された平面部とを有する電極端子とを備え、前記平面部の上面に凹部が設けられ、前記平面部の下面から前記凹部の底面に達する貫通孔が設けられ、前記平面部の前記下面と前記配線基板が前記はんだにより接合され、前記はんだは前記貫通孔内と前記凹部の前記底面上にも延在することを特徴とする。 The semiconductor device according to the present invention includes a heat sink, a wiring board disposed on the heat sink, a semiconductor chip mounted on the wiring board, and the heat sink so as to surround the wiring board and the semiconductor chip. A hollow case joined to the case, a fixed part fixed to the case, and an electrode terminal having a planar part joined to the wiring board by solder in the case, and a recess formed on the upper surface of the planar part A through hole reaching the bottom surface of the concave portion from the lower surface of the flat portion is provided, the lower surface of the flat portion and the wiring board are joined by the solder, and the solder is formed in the through hole and the concave portion. It also extends on the bottom surface.
本発明では貫通孔内と凹部の底面上に存在するはんだがリベットになるため、はんだバルクによるアンカー効果が得られ、はんだ付け強度を向上させ、信頼性において優れた半導体装置を得ることができる。また、単純な貫通孔のみではリベットを構成するために、はんだ量を大幅に増加する必要がある。そこで、平面部の上面に凹部を設け、平面部の下面から凹部の底面に達する貫通孔を設ける。これにより、大幅なはんだ量の増加なくはんだ付け強度を向上させることができる。 In the present invention, since the solder present in the through hole and on the bottom surface of the recess becomes a rivet, an anchor effect by the solder bulk can be obtained, the soldering strength can be improved, and a semiconductor device excellent in reliability can be obtained. Moreover, in order to constitute a rivet with only a simple through hole, it is necessary to greatly increase the amount of solder. Therefore, a concave portion is provided on the upper surface of the flat portion, and a through hole reaching from the lower surface of the flat portion to the bottom surface of the concave portion is provided. Thereby, the soldering strength can be improved without significantly increasing the amount of solder.
本発明の実施の形態に係る半導体装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。 A semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The same or corresponding components are denoted by the same reference numerals, and repeated description may be omitted.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る半導体装置を示す断面図である。放熱板1上に配線基板2が配置されている。両者ははんだ3により接合されている。配線基板2は絶縁基板上に回路が形成されたものである。絶縁基板は、放熱性に優れるAlN(窒化アルミニウム)等である。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. A
配線基板2上にIGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor)等の半導体チップ4がはんだ5により実装されている。半導体チップ4はワイヤ6により配線基板2に接続されている。中空のケース7が配線基板2及び半導体チップ4を取り囲むように放熱板1に接合されている。ケース7はエンプラ(PPS)等である。
A
電極端子8は、ケース7に固定される固定部8aと、ケース7内において配線基板2にはんだ9により接合された平面部8bとを有し、直線状の固定部8aに対して平面部8bが横に折れ曲がったL字型となっている。電極端子8は、はんだ付け性を向上させるためNiめっきを施したCu等である。ケース7の内部にはシリコーンゲル10が充填されている。
The electrode terminal 8 has a
図2は、本発明の実施の形態1に係る電極端子と配線基板との接合部を示す斜視図である。図3は、図2のI−IIに沿った断面図である。平面部8bの上面に凹部11が設けられている。平面部8bの下面から凹部11の底面に達する貫通孔12が設けられている。平面部8bの下面と配線基板2がはんだ9により接合されている。はんだ9は貫通孔12内と凹部11の底面上にも延在する。凹部11の側面及び底面の一部にはんだ9が接合されているが、側面及び底面の全面にはんだ9が接合されていてもよい。
FIG. 2 is a perspective view showing a joint portion between the electrode terminal and the wiring board according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line I-II in FIG. A
続いて、本実施の形態の効果を説明する。半導体装置の動作中に発生した熱で、ケース7、放熱板1、配線基板2が変形する。この変形により、ケース7に固定された電極端子8と配線基板2との接合部に応力が発生する。電極端子8を覆うシリコーンゲル10はモールド樹脂のように電極を固定するほどの強度がない。このため、電極端子8と配線基板2との接合部に大きな負荷が加わる。しかし、貫通孔12と凹部11が無い従来構造では、はんだ付け強度は平面部8bの下面と配線基板2の接合界面での強度だけで決まってしまう。
Then, the effect of this Embodiment is demonstrated. The
一方、本実施の形態では、貫通孔12内と凹部11の底面上に存在するはんだ9がリベットになるため、はんだバルクによるアンカー効果が得られる。例えば変形により図3に示す上下の引張応力が印加された際に、はんだ9のリベットが凹部11の底面に下向きの抗力を発生させる。従って、はんだ付け強度を向上させ、信頼性において優れた半導体装置を得ることができる。また、単純な貫通孔12のみではリベットを構成するために、はんだ量を大幅に増加する必要がある。そこで、平面部8bの上面に凹部11を設け、平面部8bの下面から凹部11の底面に達する貫通孔12を設ける。これにより、大幅なはんだ量の増加なくはんだ付け強度を向上させることができる。
On the other hand, in the present embodiment, since the
実施の形態2.
図4は、本発明の実施の形態2に係る電極端子の平面部を示す断面図である。凹部11の断面形状は円弧型である。凹部11の円弧の部分の一部にはんだ9が接合されているが、円弧の部分の全面にはんだ9が接合されていてもよい。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a planar portion of the electrode terminal according to
パワーモジュールの動作により斜め上下方向に引張応力が印加された際に、凹部11の円弧の部分でその応力に対抗する抗力を発生させることができる。よって、上下方向だけでなく、斜め方向への応力に対してはんだバルクの強度を付加することができる。
When a tensile stress is applied obliquely in the vertical direction by the operation of the power module, it is possible to generate a drag force against the stress at the arc portion of the
実施の形態3.
図5は、本発明の実施の形態3に係る電極端子と配線基板との接合部を示す斜視図である。はんだ付けされる平面部8bに発生する応力は特に先端角部で大きくなり、この部分を起点にしてはんだにクラックができ、内部に進行していき、最終的には剥離に至る。そこで、本実施の形態では凹部11を平面部8bの先端角部に設けている。これにより、クラックの起点となる部分の耐剥離強度が大きくなるため、クラックの発生を抑え、はんだ付け強度を向上させることができる。
FIG. 5 is a perspective view showing a joint portion between the electrode terminal and the wiring board according to
実施の形態4.
図6は、本発明の実施の形態4に係る電極端子の平面部を示す断面図である。貫通孔12の下端部に直線状又は曲面状の面取り13が施されている。これにより、はんだ9の濡れ上がり性が向上するために、はんだ9が貫通孔12を通って凹部11の底面上に達しやすくなり、はんだ9によるリベット形状が安定して形成される。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a planar portion of an electrode terminal according to
実施の形態5.
図7は、本発明の実施の形態5に係る電極端子と配線基板との接合部を示す斜視図である。図8及び図9は、図7のI−IIに沿った断面図である。平面部8bの上面三辺にそれぞれ凹部14が少なくとも1つ設けられている。平面部8bの下面と配線基板2がはんだ9により接合されている。はんだ9は平面部8bの下面から側面を這い上がって凹部14の底面上にも延在する。この凹部14の側面と底面の一部にはんだ9が接合されているが、側面と底面の全面にはんだ9が接合されていてもよい。
FIG. 7 is a perspective view showing a joint portion between an electrode terminal and a wiring board according to
剥離が発生しやすい平面部8bの周辺部において、はんだバルクによるアンカー効果が得られ、はんだ付け強度を向上させることができる。そして、図8に示すように、平面部8bを上に向かって引き剥がそうとする応力に対し、凹部14の底面上のはんだ9が平面部8bを上方から押さえることができる。また、平面部8bの上面三辺にそれぞれ凹部14を設けることにより、図9に示すように左右方向の応力に対しても抗力を持たせることができる。
An anchor effect due to the solder bulk can be obtained at the peripheral portion of the
実施の形態6.
図10は、本発明の実施の形態6に係る電極端子の平面部を示す断面図である。本実施の形態において電極端子8と配線基板2との接合部は図7と同様であり、図10は図7のI−IIに沿った断面図に対応する。平面部8bの下面から凹部14の底面に達する円柱状の貫通孔15が設けられている。はんだ9は貫通孔15内にも延在する。これにより、はんだ9の濡れ上がり性が向上するために、はんだ9が貫通孔15を通って凹部14の底面上に達しやすくなり、はんだ9によるリベット形状が安定して形成される。
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a planar portion of an electrode terminal according to
なお、半導体チップ4は、珪素によって形成されたものに限らず、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成されたものでもよい。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドである。このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成された半導体チップ4は、耐電圧性や許容電流密度が高いため、小型化できる。この小型化された半導体チップ4を用いることで、この素子を組み込んだ半導体装置も小型化できる。また、半導体チップ4の耐熱性が高いため、ヒートシンクの放熱フィンを小型化でき、水冷部を空冷化できるので、半導体装置を更に小型化できる。また、半導体チップ4の電力損失が低く高効率であるため、半導体装置を高効率化できる。
The
1 放熱板、2 配線基板、4 半導体チップ、7 ケース、8 電極端子、8a 固定部、8b 平面部、9 はんだ、11,14 凹部、12,15 貫通孔、13 面取り DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Heat sink, 2 Wiring board, 4 Semiconductor chip, 7 Case, 8 Electrode terminal, 8a Fixed part, 8b Plane part, 9 Solder, 11, 14 Recessed part, 12, 15 Through hole, 13 Chamfer
Claims (6)
前記放熱板上に配置された配線基板と、
前記配線基板上に実装された半導体チップと、
前記配線基板及び前記半導体チップを取り囲むように前記放熱板に接合された中空のケースと、
前記ケースに固定される固定部と、前記ケース内において前記配線基板にはんだにより接合された平面部とを有する電極端子とを備え、
前記平面部の上面に凹部が設けられ、
前記平面部の下面から前記凹部の底面に達する貫通孔が設けられ、
前記平面部の前記下面と前記配線基板が前記はんだにより接合され、
前記はんだは前記貫通孔内と前記凹部の前記底面上にも延在することを特徴とする半導体装置。 A heat sink,
A wiring board disposed on the heat sink;
A semiconductor chip mounted on the wiring board;
A hollow case joined to the heat sink so as to surround the wiring board and the semiconductor chip;
An electrode terminal having a fixed portion fixed to the case and a plane portion joined to the wiring board by solder in the case;
A concave portion is provided on the upper surface of the planar portion,
A through hole reaching the bottom surface of the recess from the lower surface of the planar portion is provided,
The lower surface of the planar portion and the wiring board are joined by the solder,
The solder extends in the through hole and also on the bottom surface of the recess.
前記放熱板上に配置された配線基板と、
前記配線基板上に実装された半導体チップと、
前記配線基板及び前記半導体チップを取り囲むように前記放熱板に接合された中空のケースと、
前記ケースに固定される固定部と、前記ケース内において前記配線基板にはんだにより接合された平面部とを有する電極端子とを備え、
前記平面部の上面三辺にそれぞれ凹部が設けられ、
前記平面部の前記下面と前記配線基板が前記はんだにより接合され、
前記はんだは前記凹部の底面上にも延在することを特徴とする半導体装置。 A heat sink,
A wiring board disposed on the heat sink;
A semiconductor chip mounted on the wiring board;
A hollow case joined to the heat sink so as to surround the wiring board and the semiconductor chip;
An electrode terminal having a fixed portion fixed to the case and a plane portion joined to the wiring board by solder in the case;
Recesses are provided on each of the three upper surfaces of the flat part,
The lower surface of the planar portion and the wiring board are joined by the solder,
The semiconductor device, wherein the solder also extends on a bottom surface of the recess.
前記はんだは前記貫通孔内にも延在することを特徴とする請求項5に記載の半導体装置。 A through hole reaching the bottom surface of the recess from the lower surface of the planar portion is provided,
The semiconductor device according to claim 5, wherein the solder also extends into the through hole.
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