JP2015128194A - 半導体装置 - Google Patents

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conductor
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文男 長畦
Fumio Nagaune
文男 長畦
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Fuji Electric Co Ltd
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Fuji Electric Co Ltd
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Abstract

【課題】接合部コーナーでの応力集中を低減することにより、温度サイクル等の信頼性試験でのはんだ層のクラック進行を抑制し、あるいは防止できる半導体装置を提供する。
【解決手段】本発明の半導体装置は、両面に導体パターン２ａ，２ｂが接合形成された絶縁基板１上に半導体チップ３をマウントするとともに絶縁基板１を放熱用ベース部材４と接合して、半導体チップ３の発熱が外部に放出可能な接続構造を有する。ここでは、導体パターン２ａ，２ｂのうち放熱用ベース部材４側に接合形成された導体パターン２ｂは、絶縁基板１との接合部周縁での厚みが当該接合部中心に比較して薄く形成されている。その結果、導体パターン２ａ，２ｂの接合部中心に比較して、その外周部分における半田等による固着層を厚く形成することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、パワー半導体モジュールなどを対象とした半導体装置に関し、とくに絶縁基板上にパワー半導体チップをマウントするとともに絶縁基板を放熱用ベース部材に接合して、パワー半導体チップの発熱が外部に放出可能な接続構造を有する半導体装置に関する。
パワー半導体モジュールなどを対象とした半導体装置では、電流容量が増大化する一方で小形化、高密度化が進み、これに対応してパッケージ内部の配線についても、通電容量が大きくなり、その放熱性を向上する必要がある。また、配線インダクタンスの低減化を図るために、従来のアルミワイヤのボンディングに代えて銅板を用いたリードフレームが多く採用されるようになっている。
図６は、従来の半導体装置を示す縦断面図および平面図である。
図６（Ａ）は、同図（Ｂ）におけるＡ−Ａ矢視線に沿って示す縦断面図であって、セラミック等の絶縁基板１は、両面に導体パターン２ａ，２ｂが接合形成されたＤＢＣ（Direct Bonding Copper）（東芝マテリアル株式会社の登録商標）基板である。また、絶縁基板１の表面側の銅回路として形成された導体パターン２ａには半導体チップ３が半田接合によってマウントされている。絶縁基板１の裏面側には、導体パターン２ａと同様の厚さで接合された導体パターン２ｂが放熱用ベース部材４に接合され、半導体チップ３の発熱を外部に放出している。また、放熱用ベース部材４は樹脂ケース５の底面を構成しており、そこに大小２枚の絶縁基板１が接合され、樹脂ケース５内に充填されたゲル状の封止材６によって半導体チップ３や内部接続端子７、アルミワイヤ８を保護している。
図６（Ｂ）は封止材６を充填する以前の半導体装置の状態で示す平面図であって、半導体チップ３の金属電極３ａ，３ｂは内部接続端子７、アルミワイヤ８により導体パターン２ａの所定部に内部配線されている。また、複数の外部引出端子９ａ，９ｂが導体パターン２ａから樹脂ケース５の上面に引き出されている。なお、内部接続端子７や外部引出端子９ａ，９ｂは、銅板を加工してなるリードフレームとして構成されるものである。
このようなモジュール型パワー半導体装置、インテリジェント・パワーモジュール、ディスクリート半導体製品などの半導体装置は、半導体チップ３の金属電極３ａ，３ｂと内部接続端子７、内部接続端子７と絶縁基板１上に固着された導体パターン２ａとの間がデバイス内部で配線され、外部引出端子９ａ，９ｂがデバイス外部に導出される。半導体装置内部における半導体チップ３と導体パターン２ａ、導体パターン２ｂと放熱用ベース部材４、あるいは導体パターン２ａと内部接続端子７や外部引出端子９ａ，９ｂとの間は、通常、はんだ付け、ろう付け、超音波接合、レーザ溶接接合などで接続して配線される。しかも、通常の場合は、半導体装置を構成する部品形状が正方形や長方形であって、しかも熱膨張係数が異なる金属を互いに固着して構成される。
つぎに、熱膨張係数が異なる接合部材の間を半田等によって接合したときに生じる亀裂（クラック）について説明する。
熱膨張係数が異なる金属部材を接続した場合に、その環境温度が上昇と下降を繰り返すとき、それぞれの金属部材が異なる割合で伸縮する。すなわち、金属部材の間を接合する半田、あるいはろう材等による固着層に応力が繰り返し加えられることで、固着層には亀裂が生じやすい。
図７は、２つの金属部材が半田固着層によって接合された状態を示す断面図である。
同図において、Ｘ軸は部材の長さ方向、Ｙ軸は部材の厚さ方向を示している。ここで、第１、第２の金属部材１１，１２は互いに異なる熱膨張係数α１，α２（α１＜α２）を有し、縦弾性係数がそれぞれＥ１，Ｅ２であるものとする。また、固着層１３はせん断弾性係数をＧｃとする半田層であって、その厚みをｈとする。
図７に示すように、第１の金属部材１１上に被着される第２の金属部材１２を半田による固着層１３を介して接合した状態では、固着層１３の外周部分に半田フィレットが形成されている。一般に、厚さｔ１の第１の金属部材１１上に、長さＬ、厚さｔ２を有する第２の金属部材１２を接合して、そこにＴ［℃］の温度変化が生じたときに固着層１３の半田に生じるせん断歪み率（Δγ）については、以下の式（１）によって計算されることが知られている。
Δγ≒（Ｌ／２）・（α２−α１）・Ｔ／｛（√Ａ）・ｈ｝…（１）
ここで、係数ＡはＧｃ／ｈ・｛１／（Ｅ２・ｔ２）＋１／（Ｅ１・ｔ１）｝である。
この（１）式によれば、第１、第２の金属部材１１，１２の厚さｔ１，ｔ２および第２の金属部材１２の長さＬが大きいほど、固着層１３には大きなせん断歪み率Δγで応力が加わる。（１）式はさらに、固着層１３の厚さｈが小さいほどせん断歪み率Δγが大きくなることを示しており、したがって半田の固着層１３が薄ければ薄いほど、そこには亀裂が入りやすくなる。
図８は、温度サイクル試験における半田固着層のクラックを示す超音波写真である。同図（Ａ）（Ｂ）には、図６に示す大小２枚の絶縁基板１の裏面に形成された導体パターン２ｂについて、半田接合によって放熱用ベース部材４上に固着された状態で温度サイクルなどの信頼性試験においてそれぞれの部品相互での膨張・収縮が繰り返されて生じるクラックを示している。
図中、それぞれの固着層１３ａ，１３ｂに生じる亀裂の進行方向が、矢印によって表示されている。また、図８（Ａ）に示す平面正方形状の固着層１３ａの超音波写真では、半田の亀裂発生部分に相当する領域が、白色部分を多く含む領域として表示される。
このように、図７の金属部材１２に相当する導体パターン２ｂの下面を金属部材１１に相当する放熱用ベース部材４上に半田接合した半導体装置では、固着層１３のコーナー部分で大きなせん断歪みが生じて、そこから接合部中心に向かって亀裂が広がっていくことが分かる。そして、この絶縁基板１のコーナー部に発生した亀裂が半導体チップ３との接合面域まで成長すると、絶縁基板１から放熱用ベース部材４へ伝熱する熱流束が亀裂により阻害される。このために、半導体チップ３の発生熱に対する放熱性を妨げられ、その結果として素子のジャンクション温度が異常上昇して熱破壊に至るおそれがある。
そこで、下記特許文献１では、半田層の厚みが薄いと、使用環境でのヒートサイクルにより、絶縁基板とリードフレームとの熱膨張差に起因して半田接合部に発生した熱応力で早期に疲労破壊に至ることから、リードフレームまたは絶縁基板の銅回路パターンの半田接合面に突起を形成して半田層の厚みのバラツキを防ぐようにした接続構造の半導体装置が示されている。
また、別の特許文献２では、接合部に加わる応力の緩和策として、基板の四隅コーナー部に面取り部、あるいは導体パターンにスリットを形成した構成を採用することにより、熱サイクルに起因する接合部の熱応力を緩和して亀裂が発生するまでの時間を延ばし、さらに亀裂の成長を抑制している。
特許第４１００６８５号公報（段落番号［０００８］〜［００１４］参照） 特許第４１２４０４０号公報（段落番号［００２４］〜［００７１］参照）
図９は、図６（Ａ）に示す従来の半導体装置のIX−IX断面矢視図である。
パワー半導体モジュールなどを対象とした半導体装置内部では、放熱用ベース部材４に接合される導体パターン２ｂの形状は、通常、図９に示すように正方形、あるいは長方形となっている。また、一般に半導体チップと金属端子、金属同士、あるいは金属端子と絶縁基板上に固着された金属パターンとの配線等がなされる場合でも、互いに接続される各々の部品形状はモジュール外形に合わせる形で、正方形、あるいは長方形のものが採用されていた。そのため、半田付けやろう付けなどで、半導体チップと金属端子、あるいは熱膨張係数が異なる金属同士が接続される場合、温度サイクルなどの信頼性試験においてそれぞれの部品相互で熱膨張係数が異なり、角張ったコーナー部においてその接合面に沿って生じる応力が集中するために、半田層やろう材層に割れ目、裂け目等の亀裂（クラック）が進行しやすい。
とくに、正方形あるいは長方形で構成された部品のコーナー部はせん断応力が集中しやすく、コーナー部から亀裂が進行する原因になる。こうした接合面に生じる亀裂が進展することで半導体装置の放熱性能が低下するから、とりわけパワー半導体モジュールでは発生する熱が外部に逃げにくくなる等、最終的には半導体装置自体が熱破壊に至るという深刻な問題点があった。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、接合部コーナーでの応力集中を低減することにより、温度サイクル等の信頼性試験でのはんだ層のクラック進行を抑制し、あるいは防止できる半導体装置を提供することを目的とする。
本発明では、上記問題を解決するために、表裏面に導体パターンが接合形成してなる絶縁基板上にパワー半導体チップをマウントするとともに前記絶縁基板を放熱用ベース部材と接合して、前記パワー半導体チップの発熱を外部に放出可能とする接続構造を有する半導体装置が提供される。この半導体装置では、前記導体パターンのうち前記放熱用ベース部材側に接合形成された導体パターンは、前記絶縁基板との接合部周縁での前記導体パターンの厚みが当該導体パターンの接合部中心に比較して薄く形成され、前記パワー半導体チップの表面電極と前記導体パターンとを互いに接続する内部接続導体を備え、前記内部接続導体の各接合部は、その周縁部での厚みが当該接合部の中央部に比較して薄く形成され、かつ、前記内部接続導体に接続される面側が周縁に向かって連続的に斜面となっている。
また、本発明においては、表裏面に導体パターンが接合形成してなる絶縁基板上にパワー半導体チップをマウントするとともに前記絶縁基板を放熱用ベース部材と接合して、前記パワー半導体チップの発熱を外部に放出可能とする接続構造を有する半導体装置において、前記導体パターンのうち前記放熱用ベース部材側に接合形成された導体パターンは、前記絶縁基板との接合部周縁での前記導体パターンの厚みが当該導体パターンの接合部中心に比較して薄く形成され、前記パワー半導体チップの金属電極から直接引き出される外部引出端子を備え、前記外部引出端子の接合部は、その周縁部での厚みが当該接合部の中央部に比較して薄く形成され、かつ、前記外部引出端子に接続される面側が周縁に向かって連続的に斜面となっていることを特徴とする半導体装置が提供される。
本発明によれば、導体パターンの接合部中心に比較して、その外周部分における半田等による固着層が厚く形成される。これにより、固着層に加わる応力をその弾性限界以下まで小さく設定することによって、そこに生じる亀裂を抑制、防止できる。したがって、過酷な温度条件で使用される半導体装置の放熱性を確保して、その長寿命化を図ることができる。
本発明の上記および他の目的、特徴および利点は本発明の例として好ましい実施の形態を表す添付の図面と関連した以下の説明により明らかになるであろう。
本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置を示す図であって、（Ａ）はその縦断面図、（Ｂ）はその平面図である。 図１のII−II線に沿って示す断面図である。 図１の半田固着層とその接合部とを拡大して示す断面図である。 別の半導体装置の製造方法を示す半田固着層とその接合部についての断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置を示す平面図および縦断面図である。 従来の半導体装置を示す縦断面図および平面図である。 ２つの金属部材が半田固着層によって接合された状態を示す断面図である。 温度サイクル試験における半田固着層のクラックを示す超音波写真である。 図６（Ａ）に示す従来の半導体装置のIX−IX断面矢視図である。
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置を示す図であって、（Ａ）はその縦断面図、（Ｂ）はその平面図である。
図示したパワー半導体装置は、表裏面に導体パターン２ａ，２ｂを接合形成してなる絶縁基板１上に半導体チップ３をマウントするとともに、絶縁基板１を放熱用ベース部材４と接合して、半導体チップ３での発熱を外部に放出可能としている。また、このパワー半導体装置は、半導体チップ３がマウントされている絶縁基板１の表面側の導体パターン２ａに、銅板のリードフレームからなる外部引出端子９ａ，９ｂが接合され、さらに、半導体チップ３の金属電極３ａと導体パターン２ａとを互いに接続する内部接続導体７１を備えている。こうした接続構造自体は、図６に示した従来装置と同じである。
このパワー半導体装置の特徴は、第１に導体パターン２ａ，２ｂのうち放熱用ベース部材４側に接合形成された導体パターン２ｂが、放熱用ベース部材４に接合される面側が斜面となるよう絶縁基板１との接合部周縁での厚みを接合部中心に比較して薄く形成し、かつ後述する図２に示すように、放熱用ベース部材４と接合される導体パターン２ｂから角張ったコーナー部をなくすようにコーナー部をその外周が曲線からなる曲面とした点である。これによって、周縁部での応力集中を低減することで放熱用ベース部材４との間の半田固着層に亀裂が生じることを防いでいる。また、第２の特徴は、内部接続導体７１の接合部７１ａ，７１ｂの外形を円形状に例示される曲線形状とし、かつ接合部７１ａ，７１ｂの厚さが、接合される面とは反対側の内部接続導体７１が接続されている側について、周縁に向かって連続的に薄く形成されていることである。
すなわち、内部接続導体７１の各接合部７１ａ，７１ｂは、その周縁部での厚みが接合部の中央部に比較して連続的に薄くなるように形成されている。なお、外部引出端子９ａ，９ｂについても、その接合部が半導体チップ３の金属電極３ａから直接引き出される場合には、内部接続導体７１と同様に、その周縁部での厚みが接合部の中央部に比較して薄く形成した接合部を介して引き出すことが好ましい。
図２は、図１のII−II線に沿って示す断面図である。
ここには、導体パターン２ａ，２ｂのうち放熱用ベース部材４側に接合形成されている２つの導体パターン２ｂ，２ｂを示している。いずれの導体パターン２ｂ，２ｂも、コーナー部に丸みを有する矩形のパターン形状をなし、その絶縁基板１との接合部周縁には、後述する図３に示す傾斜面が形成される。図２において、各導体パターンの厚みが接合部中心２０と比較したとき薄く形成されている様子を、そのパターンの濃度差によって示している。
図３は、図１の半田固着層とその接合部とを拡大して示す断面図である。
放熱用ベース部材４（図７の第１の金属部材１１に相当）上には、導体パターン２ｂ（第２の金属部材１２）が半田の固着層１３を介して接合されている。前述した（１）式によれば、第１、第２の金属部材１１，１２の厚さ（ｔ１，ｔ２）、および第２の金属部材１２の長さ（Ｌ）が大きいほど、固着層１３には大きなせん断歪み率Δγで応力が加わる。さらに（１）式によれば、固着層１３の厚さ（ｈ）が小さいほどせん断歪み率Δγが大きくなる。
すなわち、導体パターン２ｂには、その絶縁基板１との接合部周縁に傾斜面２０ｂが形成されているので、接合部周縁では接合部中心２０での厚みに比較してΔｔだけ薄くなる。これにより、固着層１３の接合部周縁における厚さがｈ＋Δｈ（Δｈ＝Δｔ）と大きくなるから、その分だけせん断歪み率Δγが減少する。なお、固着層１３を半田接合によって形成するとき、固着層の中心部分での厚みｈは信頼性を踏まえた実験的およびシミュレーションから、およそ２００μｍ〜４００μｍとしている。この範囲の厚みｈに対して、導体パターン２ｂの縦横方向の長さＬのうちその短手方向の長さをＬｓとした場合に、固着層１３の接合部周辺が、導体パターン端部における厚さが２ｈ程度に厚く形成されるよう導体パターン２ｂはその周縁の所定幅（ｋ×Ｌｓ）において、接合部側が斜面となるよう形成することが好ましい。ここで、ｋは０．０５〜０．２とするとよい。また、導体パターン２ｂのコーナー部に丸みを持たせることによって、第２の金属部材１２の長さＬを短くしている。これにより、固着層１３に作用するせん断歪み率Δγは一層減少するから、固着層１３に加わる応力をその弾性限界以下まで小さく設定することにより、そこに生じる亀裂を抑制、防止できる。
こうしたパワー半導体装置の製造方法では、最初に、絶縁基板１の両面に導体パターン２ａ，２ｂを接合するとともに、絶縁基板１の裏面に対しては導体パターン２ｂの接合部周縁での厚みを接合部中心２０に比較して薄く形成する工程を実施する。この工程は、同じ厚さで導体パターン２ｂを形成し、その後に傾斜面２０ｂを切削加工、あるいはエッチング加工する、あるいは傾斜面２０ｂを持つ導体パターン２ｂをプレス加工する手順によって実現される。なお、図４に示す導体パターン２ｂのように、導体パターン２ｂに傾斜面２０ｂを備えた導体パターン２ｂを、前述と同様の加工によって、階段状の周縁部２０ｃを形成したものであってもよい。
つぎに、放熱用ベース部材４と導体パターン２ｂとの間に導体パターン２ｂと同じ平面形状で所定の厚みを有するシート状半田を設置して加熱する。その後、溶融したシート状半田を固化して、導体パターン２ｂを放熱用ベース部材４に接続する半田固着層が生成される。なお、導体パターン２ｂと放熱用ベース部材４との間をろう付けによって接着してもよい。
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置を示す平面図および縦断面図である。
この半導体装置では、肉厚接続部７２ａを介して内部接続導体７２の接合部７２ｂが半導体チップ３の金属電極３ａに固着され、内部接続導体７２と導体パターン２ａとの間は肉厚接続部７２ｃを介して接合部７２ｄによって固着されている。すなわち、内部接続導体７２の接合部７２ｂ，７２ｄは、その中央部の肉厚接続部７２ａ，７２ｃから階段状に薄く形成される。また、これらの肉厚接続部７２ａ，７２ｃと接合部７２ｂ，７２ｄとの平面形状は、楕円形状になっている。この肉厚部の平面形状は楕円形状に限らず、その周囲における角部が曲線状となっていれば本発明の効果を奏する。
こうして、前述した（１）式によれば、第２の金属部材１２に相当する接合部７２ｂ，７２ｄの厚さｔ２が固着層１３の外周部分で小さくなる。したがって、そのせん断歪み率Δγが減少して、内部接続導体７２を半導体チップ３の金属電極３ａや導体パターン２ａと接合している固着層１３に対して、そこに加わる応力を小さくすることができる。また、第２の金属部材１２に相当する接合部７２ｂ，７２ｄの長さＬを短くしたことにより、固着層１３に作用するせん断歪み率Δγの減少に寄与する。
なお、外部引出端子９ａ，９ｂについても、その接合部が半導体チップ３の金属電極３ａから直接引き出される場合には、内部接続導体７１と同様に、固着層の周縁部での厚みが当該固着層の接合部の中央部に比較して薄く形成した接合部とすることが好ましい。
上記については単に本発明の原理を示すものである。さらに、多数の変形、変更が当業者にとって可能であり、本発明は上記に示し、説明した正確な構成および応用例に限定されるものではなく、対応するすべての変形例および均等物は、添付の請求項およびその均等物による本発明の範囲とみなされる。
１ 絶縁基板
２ａ，２ｂ 導体パターン
３ 半導体チップ
４ 放熱用ベース部材
５ 樹脂ケース
６ 封止材
７ 内部接続端子
８ アルミワイヤ
９ａ，９ｂ 外部引出端子
１１ 第１の金属部材
１２ 第２の金属部材
１３，１３ａ，１３ｂ 半田による固着層
２０ｂ 傾斜面
２０ｃ 階段状の周縁部
７１，７２ 内部接続導体
７１ａ，７１ｂ，７２ｂ，７２ｄ 接合部
７２ａ，７２ｃ 肉厚接続部

Claims (4)

  1. 表裏面に導体パターンを接合形成してなる絶縁基板上にパワー半導体チップをマウントするとともに前記絶縁基板を放熱用ベース部材と接合して、前記パワー半導体チップの発熱を外部に放出可能とする接続構造を有する半導体装置において、
    前記導体パターンのうち前記放熱用ベース部材側に接合形成された導体パターンは、前記絶縁基板との接合部周縁での前記導体パターンの厚みが当該導体パターンの接合部中心に比較して薄く形成され、
    前記パワー半導体チップの表面電極と前記導体パターンとを互いに接続する内部接続導体を備え、前記内部接続導体の各接合部は、その周縁部での厚みが当該接合部の中央部に比較して薄く形成され、かつ、前記内部接続導体に接続される面側が周縁に向かって連続的に斜面となっていることを特徴とする半導体装置。
  2. 表裏面に導体パターンを接合形成してなる絶縁基板上にパワー半導体チップをマウントするとともに前記絶縁基板を放熱用ベース部材と接合して、前記パワー半導体チップの発熱を外部に放出可能とする接続構造を有する半導体装置において、
    前記導体パターンのうち前記放熱用ベース部材側に接合形成された導体パターンは、前記絶縁基板との接合部周縁での前記導体パターンの厚みが当該導体パターンの接合部中心に比較して薄く形成され、
    前記パワー半導体チップの金属電極から直接引き出される外部引出端子を備え、前記外部引出端子の接合部は、その周縁部での厚みが当該接合部の中央部に比較して薄く形成され、かつ、前記外部引出端子に接続される面側が周縁に向かって連続的に斜面となっていることを特徴とする半導体装置。
  3. 前記放熱用ベース部材側の導体パターンは、前記接合部周縁で連続的に薄く形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
  4. 前記放熱用ベース部材側の導体パターンは、前記接合部周縁で階段状に薄く形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
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