JP2017005118A - Semiconductor module - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書が開示する技術は、半導体モジュールに関する。 The technology disclosed in this specification relates to a semiconductor module.
銅部材がはんだ層によって他の部材(電極等)に接続された構造を有する半導体モジュールが知られている。このような半導体モジュールにおいて、銅部材とはんだ層との界面に高い電流が流れると、エレクトロマイグレーションによって銅部材がはんだ層から剥離する場合がある。 A semiconductor module having a structure in which a copper member is connected to another member (such as an electrode) by a solder layer is known. In such a semiconductor module, when a high current flows through the interface between the copper member and the solder layer, the copper member may be separated from the solder layer by electromigration.
特許文献1に、接続パッドと電極がはんだ層によって接続された構造を有する半導体モジュールが開示されている。この半導体モジュールでは、接続パッドの外周領域に、凸部が設けられている。凸部の電気抵抗は、はんだ層の電気抵抗よりも低い。接続パッドの凸部を含む領域が、はんだ層に接合されている。凸部の電気抵抗が低いため、電流は凸部に集中する。特許文献1には、このような構造によって、凸部以外の部分への電流の集中を緩和し、エレクトロマイグレーションを抑制することができると説明されている。 Patent Document 1 discloses a semiconductor module having a structure in which connection pads and electrodes are connected by a solder layer. In this semiconductor module, a convex portion is provided in the outer peripheral region of the connection pad. The electric resistance of the convex portion is lower than the electric resistance of the solder layer. A region including the convex portion of the connection pad is bonded to the solder layer. Since the electric resistance of the convex portion is low, the current is concentrated on the convex portion. Patent Document 1 describes that such a structure can alleviate the concentration of current to a portion other than the convex portion and suppress electromigration.
半導体チップが銅ブロックを介してリードフレームに接続された構造を有する半導体モジュールが知られている。銅ブロックははんだ層を介してリードフレームに接続されている。この種の半導体モジュールでは、銅ブロックとはんだ層の接合面の外周領域に電流が集中しやすい。したがって、接合面の外周領域で、エレクトロマイグレーションによる剥離が生じやすい。この半導体モジュールの電流集中の問題を、特許文献1の技術(接合面の外周領域に電流を集中させる技術)で解決することはできない。したがって、本明細書では、半導体チップが銅ブロックを介してリードフレームに接続された構造を有する半導体モジュールにおいてエレクトロマイグレーションを抑制する技術を提供する。 A semiconductor module having a structure in which a semiconductor chip is connected to a lead frame via a copper block is known. The copper block is connected to the lead frame via a solder layer. In this type of semiconductor module, current tends to concentrate on the outer peripheral region of the joint surface between the copper block and the solder layer. Therefore, peeling due to electromigration tends to occur in the outer peripheral region of the joint surface. This problem of current concentration in the semiconductor module cannot be solved by the technique of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-228620 (technology that concentrates current on the outer peripheral region of the joint surface). Therefore, the present specification provides a technique for suppressing electromigration in a semiconductor module having a structure in which a semiconductor chip is connected to a lead frame via a copper block.
本明細書が開示する半導体モジュールは、表面に電極を有する半導体チップと、前記電極に接続されている銅ブロックと、前記銅ブロックにはんだ層を介して接続されているリードフレームを有している。前記銅ブロックの表面の前記はんだ層に接合されている領域内に凸部が形成されている。前記領域を平面視したときに、前記凸部が環状に伸びている。前記はんだ層の前記凸部の外側に配置されている部分が、前記はんだ層の前記凸部の内側に配置されている部分よりも高い電気抵抗を有している。 A semiconductor module disclosed in this specification includes a semiconductor chip having an electrode on a surface, a copper block connected to the electrode, and a lead frame connected to the copper block via a solder layer. . A convex portion is formed in a region bonded to the solder layer on the surface of the copper block. When the region is viewed in plan, the convex portion extends in an annular shape. The portion of the solder layer that is disposed outside the convex portion has a higher electrical resistance than the portion of the solder layer that is disposed inside the convex portion.
この半導体モジュールでは、はんだ層の凸部の外側に配置されている部分が、はんだ層の凸部の内側に配置されている部分よりも高い電気抵抗を有している。このため、はんだ層と銅ブロックの接合面の外周領域に電流が集中することを抑制することができる。このため、この半導体モジュールによれば、接合面のエレクトロマイグレーションによる剥離を抑制することができる。 In this semiconductor module, the portion arranged outside the convex portion of the solder layer has a higher electrical resistance than the portion arranged inside the convex portion of the solder layer. For this reason, it can suppress that an electric current concentrates on the outer peripheral area | region of the joint surface of a solder layer and a copper block. For this reason, according to this semiconductor module, the peeling by the electromigration of a joint surface can be suppressed.
図1に示す実施例1の半導体モジュール10は、エミッタリードフレーム12、銅ブロック16、半導体チップ20及びコレクタリードフレーム24を有している。これらの部材がはんだ層によって互いに接続されることで、半導体モジュール10が構成されている。
A
半導体チップ20は、半導体基板20aと、エミッタ電極20bと、コレクタ電極20cを有している。半導体基板20aは、半導体によって構成された基板であり、その内部にIGBTが形成されている。エミッタ電極20bは、半導体基板20aの上面に形成されている。コレクタ電極20cは、半導体基板20aの下面に形成されている。また、図示していないが、半導体基板20aの上面には、ゲート電極が形成されている。IGBTは、ゲート電極に入力される信号に応じて、エミッタ電極20bとコレクタ電極20cの間に電流が流れるオン状態と、これらの間に電流が流れないオフ状態とに切り換わる。
The
銅ブロック16は、半導体チップ20上に配置されている。銅ブロック16は、はんだ層18によってエミッタ電極20bに接続されている。
The
エミッタリードフレーム12は、銅ブロック16上に配置されている。エミッタリードフレーム12は、はんだ層14を介して銅ブロック16に接続されている。エミッタリードフレーム12は、はんだ層14、銅ブロック16及びはんだ層18を介してエミッタ電極20bに接続されている。
The
コレクタリードフレーム24は、半導体チップ20の下側に配置されている。コレクタリードフレーム24は、はんだ層22を介してコレクタ電極20cに接続されている。
The
次に、銅ブロック16とエミッタリードフレーム12の接続構造について、詳細に説明する。銅ブロック16の上面30には、凸部32が形成されている。図2は、銅ブロック16の上面30を平面視した平面図を示している。なお、図の見易さのため、図2では凸部32を斜線ハッチングによって示している。図2に示すように、凸部32は、上面30において環状に伸びている。環状に伸びる凸部32によって、上面30が、凸部32の内側(凸部32に囲まれた範囲内)の中央領域30aと、凸部32の外側(凸部32に囲まれた範囲の外側)の外周領域30bに区画されている。図1に示すように、上面30の全体がはんだ層14に接合されている。凸部32の厚み(上面30から突出している高さ)ははんだ層14の厚みよりも小さい。したがって、凸部32の端面とエミッタリードフレーム12の間には間隔が設けられており、その間隔にははんだ層14が存在している。
Next, the connection structure between the
はんだ層14は、抵抗率が低い材料によって構成されている低抵抗部14aと、低抵抗部14aよりも抵抗率が高い材料によって構成されている高抵抗部14bを有している。低抵抗部14aの厚みと高抵抗部14bの厚みは略等しい。したがって、厚み方向において、高抵抗部14bの電気抵抗は、低抵抗部14aの電気抵抗よりも高い。低抵抗部14aは、凸部32の内側に配置されている。高抵抗部14bは、凸部32の外側に配置されている。凸部32の端面上に、低抵抗部14aと高抵抗部14bの境界が位置している。低抵抗部14aは、銅ブロック16の上面30の中央領域30aをエミッタリードフレーム12に接続している。高抵抗部14bは、銅ブロック16の上面30の外周領域30bをエミッタリードフレーム12に接続している。
The
IGBTがオンすると、コレクタリードフレーム24から、半導体チップ20と銅ブロック16を介して、エミッタリードフレーム12に向かって電流が流れる。このため、銅ブロック16とエミッタリードフレーム12の間では、図1の矢印100、102に示すように電流が流れる。つまり、銅ブロック16の外周部(銅ブロック16の側面近傍の部分)では、矢印102に示すように、高抵抗部14bを介して電流が流れる。また、銅ブロック16の中央部では、矢印100に示すように、低抵抗部14aを介して電流が流れる。
When the IGBT is turned on, a current flows from the
一般的な半導体モジュールでは、銅ブロックの外周部に、銅ブロックの中央部よりも電流が流れやすい。つまり、銅ブロックの外周部で、銅ブロックの中央部よりも電流密度が高くなる。しかしながら、実施例1の半導体モジュールでは、銅ブロック16の上面30において、外周領域30bが高抵抗部14bに接合されており、中央領域30aが低抵抗部14aに接合されている。このため、はんだ層14全体の電気抵抗が均一な場合に比べて、銅ブロックの外周部に流れる電流(すなわち、矢印102に示す電流)が少なくなり、銅ブロックの中央部に流れる電流(すなわち、矢印100に示す電流)が多くなる。その結果、銅ブロック16とはんだ層14の接合面(すなわち、上面30)において電流密度が均一化され、外周領域30bにおける電流集中が抑制される。このため、この半導体モジュール10では、エレクトロマイグレーションによって外周領域30bがはんだ層14から剥離することが抑制される。
In a general semiconductor module, current flows more easily in the outer peripheral portion of the copper block than in the central portion of the copper block. That is, the current density is higher at the outer periphery of the copper block than at the center of the copper block. However, in the semiconductor module of the first embodiment, on the
次に、銅ブロック16をエミッタリードフレーム12にはんだ付けする方法について説明する。まず、銅ブロック16の上面30の中央領域30aに、抵抗率が低い材料によって構成されているクリームはんだ(以下、低抵抗クリームはんだという)を塗布する。次に、銅ブロック16の上面30の外周領域30bに、抵抗率が高い材料によって構成されているクリームはんだ(以下、高抵抗クリームはんだという)を塗布する。ここでは、各クリームはんだを、凸部32の厚み(すなわち、高さ)よりも厚く塗布する。次に、塗布したクリームはんだの上にエミッタリードフレーム12を載置する。次に、図1に示すように各部品を積層した積層体を、リフロー炉に投入する。これによって、低抵抗クリームはんだ及び高抵抗クリームはんだが溶融する。凸部32によって低抵抗クリームはんだの塗布領域(すなわち、中央領域30a)と高抵抗クリームはんだの塗布領域(すなわち、外周領域30b)が区画されているので、溶融した低抵抗クリームはんだと溶融した高抵抗クリームはんだが互いに混ざり合うことが抑制される。その後、温度低下によって低抵抗クリームはんだと高抵抗クリームはんだが凝固する。各クリームはんだが凝固することで、はんだ層14の低抵抗部14aと高抵抗部14bが形成される。したがって、図1に示す構造が得られる。このように、凸部32によって区画された中央領域30aと外周領域30bに異なる種類のクリームはんだを塗布することで、図1に示す構造を形成することができる。
Next, a method for soldering the
図3、4に示す実施例2の半導体モジュールでは、銅ブロック16の上面30に、2つの凸部32a、32bが形成されている。凸部32aと凸部32bは、それぞれ、上面30において環状に伸びている。凸部32aが、凸部32bの内側に配置されている。2つの凸部32a、32bによって、銅ブロック16の上面30が、中央領域30a、中間領域30c及び外周領域30bに区画されている。中央領域30aは凸部32aの内側の領域であり、中間領域30cは凸部32aと凸部32bの間の領域であり、外周領域30bは凸部32bの外側の領域である。また、実施例2の半導体モジュールでは、はんだ層14が、低抵抗部14a、中間抵抗部14c及び高抵抗部14bを有している。低抵抗部14aよりも中間抵抗部14cの電気抵抗が高く、中間抵抗部14cよりも高抵抗部14bの電気抵抗が高い。実施例2の半導体モジュールのその他の構成は、実施例1の半導体モジュール10の構成と等しい。このように、実施例2の半導体モジュールでは、はんだ層14が、電気抵抗が異なる3種類の部分14a、14c、14bを有しており、これらの部分が中央から外周に向かって電気抵抗が高くなるように配置されている。これによって、銅ブロック16とはんだ層14の接合面における電流密度をより均一化することができ、エレクトロマイグレーションによる剥離をより効果的に抑制することができる。
In the semiconductor module of Example 2 shown in FIGS. 3 and 4, two
なお、上述した実施例1、2では、半導体チップ20にIGBTが形成されていたが、他の半導体素子(例えば、MOSFETやダイオード)が形成されていてもよい。また、実施例1、2とは異なる構造を有する半導体装置の銅ブロックとはんだ層との接合面に、本明細書に開示の技術を適用してもよい。
In the first and second embodiments described above, the IGBT is formed on the
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology illustrated in the present specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.
10 :半導体モジュール
12 :エミッタリードフレーム
14 :はんだ層
14a :低抵抗部
14b :高抵抗部
16 :銅ブロック
18 :はんだ層
20 :半導体チップ
20a :半導体基板
20b :エミッタ電極
20c :コレクタ電極
22 :はんだ層
24 :コレクタリードフレーム
30 :上面
30a :中央領域
30b :外周領域
32 :凸部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10: Semiconductor module 12: Emitter lead frame 14:
Claims (1)
表面に電極を有する半導体チップと、
前記電極に接続されている銅ブロックと、
前記銅ブロックにはんだ層を介して接続されているリードフレーム、
を有しており、
前記銅ブロックの表面の前記はんだ層に接合されている領域内に凸部が形成されており、
前記領域を平面視したときに、前記凸部が環状に伸びており、
前記はんだ層の前記凸部の外側に配置されている部分が、前記はんだ層の前記凸部の内側に配置されている部分よりも高い電気抵抗を有している、
半導体モジュール。 A semiconductor module,
A semiconductor chip having electrodes on the surface;
A copper block connected to the electrode;
A lead frame connected to the copper block via a solder layer;
Have
A convex portion is formed in a region bonded to the solder layer on the surface of the copper block,
When the region is viewed in plan, the convex portion extends in an annular shape,
The portion disposed on the outer side of the convex portion of the solder layer has a higher electric resistance than the portion disposed on the inner side of the convex portion of the solder layer.
Semiconductor module.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (1)
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JP2021150374A (en) * | 2020-03-17 | 2021-09-27 | 株式会社東芝 | Semiconductor device and inspection device |
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- 2015-06-10 JP JP2015117805A patent/JP2017005118A/en active Pending
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