JP2016105508A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】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。【解決手段】半導体装置１は、剛性を有する板状のベース体２と、ベース体２上に半田４により搭載される部品３と、を有する。そして、この発明の半導体装置１では、ベース体２は、部品３搭載面に、部品３の面積よりもひとまわり小さい面積で形成される凸部２Ａを有する。部品３は、凸２Ａ部の中央に整合してベース体２上に半田付けされる。【選択図】図１

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。

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。

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。

特開２００２−５７２８０号公報

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。

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。

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。

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。

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。また、半導体チップはその端部に耐圧保持構造が形成される。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 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。 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。 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。 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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (10)

1. 剛性を有する板状のベース体と、
   前記ベース体上に半田付けにより搭載される半導体チップと、
   を有する半導体装置において、
   前記ベース体は、前記半導体チップ搭載面に、前記半導体チップの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、前記凸部の中央に整合して前記ベース体上に前記半導体チップが半田付けされ、前記半導体チップはその端部に耐圧保持構造が形成される半導体装置。
2. 前記凸部は前記ベース体と一体で形成された、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記凸部は前記ベース体に、前記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された、請求項１に記載の半導体装置。
4. 前記凸部の断面形状が矩形である、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置。
5. 前記凸部の断面形状が底辺の長い台形である、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置。
6. 前記凸部が前記ベース体の両面に形成された、請求項１〜５のいずれかに記載の半導体装置。
7. 前記ベース体がＤＢＣ基板である、請求項１〜６のいずれかに記載の半導体装置。
8. 前記耐圧保持構造は、前記半導体チップにおいて前記ベース体に対向した面に形成されている、請求項１〜７のいずれかに記載の半導体装置。
9. 前記耐圧保持構造はメサ構造である、請求項１〜８のいずれかに記載の半導体装置。
10. 前記ベース体と前記半導体チップの周囲は樹脂でモールドされている、請求項１〜９のいずれかに記載の半導体装置。

Images