JP2017084911A

JP2017084911A - 半導体モジュール

Info

Publication number: JP2017084911A
Application number: JP2015210177A
Authority: JP
Inventors: 剛西脇; Takeshi Nishiwaki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-10-26
Filing date: 2015-10-26
Publication date: 2017-05-18

Abstract

【課題】第２電極層が絶縁樹脂層から剥離し難い半導体モジュールを提供する。【解決手段】半導体モジュールは、半導体基板の表面を覆う第１電極層と、第１電極層の表面の外周部を覆う第１絶縁樹脂層と、第１電極層の表面の中央部から第１絶縁樹脂層の表面に跨る範囲を覆っている第２電極層と、第１絶縁樹脂層上に配置されている第２電極層の端部を覆うように第２電極層の表面から第２電極層に覆われていない範囲の第１絶縁樹脂層の表面に跨る範囲を覆う第２絶縁樹脂層と、第２絶縁樹脂層に覆われていない範囲の第２電極層の表面を覆っているはんだ層を有している。第１電極層の外周側から内周側に向かう方向において、前第２絶縁樹脂層の内周側の端部が、第１絶縁樹脂層の内周側の端部よりも内周側の位置、または、第１絶縁樹脂層の内周側の端部と同じ位置に配置されている。【選択図】図２

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。

特許文献１に、半導体装置の上部電極を、はんだによって外部の導電部材（ヒートシンクブロック）に接続した半導体モジュールが開示されている。はんだ層によって、上部電極が外部の導電部材に対して電気的に接続される。

特開２００５−３４７３１３号公報

近年の半導体モジュールでは、上部電極が、図５に示す構造を備えている。図５では、上部電極が、第１電極層１０１と第２電極層１０２を備えている。第１電極層１０１は、半導体基板１２０の表面を覆っている。第１電極層１０１の外周部は、絶縁樹脂層１１１によって覆われている。第２電極層１０２は、第１電極層１０１の中央部（すなわち、絶縁樹脂層１１１に覆われていない部分）から絶縁樹脂層１１１の表面に跨る範囲を覆っている。第２電極層１０２の表面の略全域を、はんだ層１３０が覆っている。はんだ層１３０の上端は、外部の導電部材１４０に接続されている。

図５の半導体モジュールでは、第２電極層１０２の絶縁樹脂層１１１に対する接着強度はそれほど高くない。また、半導体モジュールが温度変化すると、はんだ層１３０から第２電極層１０２に対して、第２電極層１０２を絶縁樹脂層１１１から引き離す方向に強い熱応力が加わる。このため、第２電極層１０２が、絶縁樹脂層１１１から剥離し易い。第２電極層１０２が絶縁樹脂層１１１から剥離すると、その後の温度変化によって剥離がさらに進展し、半導体基板１２０に向かってクラックが伸びる場合がある。クラックが半導体基板１２０に達すると、半導体モジュールの電気的特性に異常が発生し、問題となる。

したがって、本明細書では、第２電極層が絶縁樹脂層から剥離し難い半導体モジュールを提供する。

本明細書が開示する半導体モジュールは、半導体基板と、前記半導体基板の表面を覆う第１電極層と、前記第１電極層の表面の外周部を覆う第１絶縁樹脂層と、前記第１電極層の表面の中央部から前記第１絶縁樹脂層の表面に跨る範囲を覆っており、端部が前記第１絶縁樹脂層上に配置されている第２電極層と、前記第１絶縁樹脂層上に配置されている前記第２電極層の前記端部を覆うように前記第２電極層の表面から前記第２電極層に覆われていない範囲の前記第１絶縁樹脂層の表面に跨る範囲を覆う第２絶縁樹脂層と、前記第２絶縁樹脂層に覆われていない範囲の前記第２電極層の表面を覆っているはんだ層を有している。前記第１電極層の外周側から内周側に向かう方向において、前第２絶縁樹脂層の前記内周側の端部が、前記第１絶縁樹脂層の前記内周側の端部よりも前記内周側の位置、または、前記第１絶縁樹脂層の前記内周側の前記端部と同じ位置に配置されている。

なお、本明細書において、第１電極層の内周側は、第１電極層の表面の中央に近い側を意味し、外周側はその反対側を意味する。また、第１電極層の表面の外周部は、第１電極層の表面の外周側の部分を意味する。また、第１電極層の表面の中央部は、外周部（第１絶縁樹脂層によって覆われている部分）よりも内周側の部分（第１電極層の表面の中央を含む部分）を意味する。

この半導体モジュールでは、第２絶縁樹脂層が、第２電極層の第１絶縁樹脂層上の部分（以下、乗り上げ部という）を覆っている。外周側から内周側に向かう方向において、第２絶縁樹脂層の内周側の端部が、第１絶縁樹脂層の内周側の端部よりも内周側の位置、または、第１絶縁樹脂層の内周側の端部と同じ位置に配置されている。つまり、第２絶縁樹脂層が、第２電極層の乗り上げ部の略全体を覆っている。このため、はんだ層は、乗り上げ部よりも内周側の部分の第２電極層（第１電極層に直接接している部分）に接続される。このため、半導体モジュールが温度変化したときに、はんだ層から第２電極層の乗り上げ部に応力が加わり難い。また、第１絶縁樹脂層と第２絶縁樹脂層は共に樹脂層であるため、これらの線膨張係数が互いに近い。第２電極層の乗り上げ部が、互いに線膨張係数が近い第１絶縁樹脂層と第２絶縁樹脂層によって挟まれているため、第２電極層の乗り上げ部に熱応力が加わり難い。したがって、この半導体モジュールでは、第２電極層の乗り上げ部が、第１絶縁樹脂層から剥離し難い。

実施例１の半導体モジュール１０の断面図。実施例１の半導体モジュール１０の、はんだ層の外周端近傍の拡大断面図。実施例２の半導体モジュールの、はんだ層の外周端近傍の拡大断面図。実施例３の半導体モジュールの、はんだ層の外周端近傍の拡大断面図。近年の半導体モジュールの断面図。

図１に示す実施例１の半導体モジュール１０は、下部リードフレーム１２、半導体基板１６、金属ブロック２０、上部リードフレーム２４、信号リードフレーム３０及び樹脂層２６を有している。

下部リードフレーム１２は、金属によって構成されている。

半導体基板１６は、シリコン等の半導体によって構成されている。半導体基板１６は、下部リードフレーム１２上に配置されている。図示していないが、半導体基板１６の下面には下部電極が配置されている。下部電極は、半導体基板１６の下面全域を覆っている。下部電極は、はんだ層１４によって下部リードフレーム１２に接続されている。また、図１では示されていないが、半導体基板１６の上面には図２に示す上部電極４０が配置されている。上部電極４０は、半導体基板１６の上面の中央部を覆っている。また、図示していないが、半導体基板１６の上面（上部電極４０の外側）には、信号電極が配置されている。

金属ブロック２０は、半導体基板１６上に配置されている。金属ブロック２０の下面は、はんだ層１８によって半導体基板１６の上面を覆う上部電極４０に接続されている。

上部リードフレーム２４は、金属によって構成されている。上部リードフレーム２４は、金属ブロック２０上に配置されている。上部リードフレーム２４の下面は、はんだ層２２によって金属ブロック２０の上面に接続されている。

信号リードフレーム３０は、金属によって構成されている。信号リードフレーム３０は、下部リードフレーム１２から横方向に離れた位置に配置されている。信号リードフレーム３０は、ワイヤー２８によって半導体基板１６の上面の信号電極に接続されている。

樹脂層２６は、下部リードフレーム１２の下面と上部リードフレーム２４の上面が露出するように、下部リードフレーム１２、半導体基板１６、金属ブロック２０及び上部リードフレーム２４を覆っている。

上部リードフレーム２４は、金属ブロック２０とはんだ層２２、１８を介して半導体基板１６に接続されている。下部リードフレーム１２は、はんだ層１４を介して半導体基板１６に接続されている。信号リードフレーム３０は、ワイヤー２８を介して半導体基板１６に接続されている。本実施例では、半導体基板１６にＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が形成されている。上部リードフレーム２４は、ＩＧＢＴのエミッタ電極として機能する。下部リードフレーム１２は、ＩＧＢＴのコレクタ電極として機能する。信号リードフレーム３０は、ゲート電極として機能する。上部リードフレーム２４、下部リードフレーム１２及び信号リードフレーム３０の電圧を制御することで、半導体基板１６（ＩＧＢＴ）を動作させることができる。また、上部リードフレーム２４と下部リードフレーム１２は、半導体基板１６を冷却するヒートシンクとしても機能する。

図２は、はんだ層１８の外周端近傍（図１の範囲Ｘ１）における半導体モジュール１０の拡大断面図を示している。図２に示すように、半導体基板１６の上面には、上部電極４０が形成されている。上部電極４０は、第１電極層４１と第２電極層４２を有している。

第１電極層４１は、半導体基板１６の上面に配置されている。第１電極層４１は、半導体基板１６の上面の中央（図１の中央Ｃ１）を含む広い範囲に形成されている。第１電極層４１は、ＡｌＳｉ（より詳細には、９９ｗｔ％のＡｌと１ｗｔ％のＳｉの合金）によって構成されている。第１電極層４１の厚みは、４〜６μｍである。第１電極層４１の線膨張係数は、約２３ｐｐｍ／℃である。

第１電極層４１の外周部（すなわち、図１の半導体基板１６の外周端１６ａに近い部分）は、第１絶縁樹脂層５１によって覆われている。第１絶縁樹脂層５１の内周側（第１電極層４１の上面の中央Ｃ１に近い側）の端部５１ａは、第１電極層４１上に配置されている。第１絶縁樹脂層５１は、ポリイミドによって構成されている。第１絶縁樹脂層５１の厚みは、５〜１０μｍである。第１絶縁樹脂層５１の線膨張係数は、約３５ｐｐｍである。

第２電極層４２は、第１電極層４１の上面の中央部から第１絶縁樹脂層５１の上面に跨る範囲に配置されている。すなわち、第２電極層４２は、第１絶縁樹脂層５１の内周側の端部５１ａよりも内周側の範囲で、第１電極層４１の上面（すなわち、第１絶縁樹脂層５１に覆われていない範囲の第１電極層４１の上面）に接している。第２電極層４２の外周側の部分４２ｃは、第１絶縁樹脂層５１上に乗り上げている。以下では、第２電極層４２の第１絶縁樹脂層５１上に配置されている部分４２ｃを、乗り上げ部４２ｃという。第１絶縁樹脂層５１の内周側の端部５１ａは、第２電極層４２によって覆われている。第２電極層４２の外周側の端部４２ａは、第１絶縁樹脂層５１上に配置されている。第２電極層４２は、下側からＴｉ層及びＮｉ層を順に積層した構造を備えている。したがって、第２電極層４２のＴｉ層が、第１絶縁樹脂層５１に接している。Ｔｉ層と第１絶縁樹脂層５１の界面における接着強度は、他の界面（例えば、Ｔｉ層と第１電極層４１の界面、はんだ層１８と第２電極層４２の界面、第１絶縁樹脂層５１と第１電極層４１の界面など）の接着強度よりも低い。Ｔｉ層の厚みは、０．１〜０．３μｍである。Ｔｉ層の線膨張係数は、約９ｐｐｍ／℃である。Ｎｉ層の厚みは、３〜５μｍである。Ｎｉ層の線膨張係数は、約１３ｐｐｍ／℃である。

第２電極層４２の乗り上げ部４２ｃは、第２絶縁樹脂層５２によって覆われている。第２絶縁樹脂層５２は、第２電極層４２の上面から第１絶縁樹脂層５１の上面（乗り上げ部４２ｃよりも外周側の第１絶縁樹脂層５１の上面）に跨る範囲を覆っている。したがって、第２電極層４２の外周側の端部４２ａが、第２絶縁樹脂層５２によって覆われている。第２絶縁樹脂層５２の内周側の端部５２ａは、第１絶縁樹脂層５１の内周側の端部５１ａよりも内周側に配置されている。したがって、第２電極層４２の乗り上げ部４２ｃの全体が、第２絶縁樹脂層５２によって覆われている。第２絶縁樹脂層５２は、ポリイミドによって構成されている。第２絶縁樹脂層５２の線膨張係数は、約３５ｐｐｍ／℃である。すなわち、第２絶縁樹脂層５２の線膨張係数は、第１絶縁樹脂層５１の線膨張係数と略等しい。

はんだ層１８は、第２絶縁樹脂層５２の内周側の端部５２ａよりも内周側（すなわち、第２絶縁樹脂層５２に覆われていない範囲）の第２電極層４２の上面を覆っている。はんだ層１８は、はんだ付け工程（ろう付け工程）において、第２電極層４２の露出している表面全体に濡れ広がる。このため、はんだ層１８の外周端は、第２絶縁樹脂層５２の内周側の端部５２ａの位置と一致する。はんだ層１８の表面は、端部５２ａから内周側に斜め上方に向かって伸びている。はんだ層１８の厚みは、約１００μｍである。はんだ層１８の線膨張係数は、約２０ｐｐｍ／℃である。

第２電極層４２の第１絶縁樹脂層５１に対する接着強度はあまり高くない。また、第１絶縁樹脂層５１の内周側の端面５１ｂの両側で、第２電極層４２が折れ曲がっている。このため、端面５１ｂ近傍で第２電極層４２に応力が集中し易い。しかしながら、本実施例の半導体モジュール１０では、第２電極層４２の第１絶縁樹脂層５１からの剥離（特に、端面５１ｂにおける剥離）を抑制することができる。つまり、半導体モジュール１０が温度変化すると、はんだ層１８が図２の矢印に示す方向に熱膨張または熱収縮する。はんだ層１８が厚いので、矢印に示す方向に生じる応力は大きい。しかしながら、本実施例では、第２絶縁樹脂層５２の内周側の端部５２ａが第１絶縁樹脂層５１の内周側の端部５１ａよりも内周側に位置しており、第２電極層４２の乗り上げ部４２ｃ全体が第２絶縁樹脂層５２によって覆われている。このため、はんだ層１８が、第２電極層４２の乗り上げ部４２ｃに接していない。特に、はんだ層１８が、第１絶縁樹脂層５１の端面５１ｂ上の第２電極層４２の部分４２ｂに接していない。このため、はんだ層１８の熱応力が、第２電極層４２の乗り上げ部４２ｃ（特に、部分４２ｂ）に加わり難い。また、第２電極層４２の乗り上げ部４２ｃ全体が、線膨張係数が略等しい第１絶縁樹脂層５１と第２絶縁樹脂層５２によって上下方向に挟まれている。このため、第２電極層４２の乗り上げ部４２ｃで高い応力が発生することが抑制される。これによって、第２電極層４２が第１絶縁樹脂層５１から剥離することが抑制される。特に、第２電極層４２の部分４２ｂが第２絶縁樹脂層５２によって覆われているので、端面５１ｂにおける第２電極層４２と第１絶縁樹脂層５１の剥離を抑制することができる。したがって、この構造によれば、半導体モジュール１０の高い信頼性を実現することができる。

なお、第２絶縁樹脂層５２の内周側の端部５２ａが第１絶縁樹脂層５１の内周側の端部５１ａに対して極端に内周側に配置されていると、はんだ層１８が第２電極層４２に接する面積が小さくなり、これらの間の熱抵抗が高くなる。したがって、端部５２ａは、端部５１ａに近い位置に配置されていることが好ましい。例えば、図３に示すように、内周側から外周側に向かう方向において、端部５２ａが端部５１ａと同じ位置に配置されていてもよい。図３の構造によれば、図２の構造に比べて、はんだ層１８と第２電極層４２の間の熱抵抗を小さくすることができる。また、図２の構造でも、第２電極層４２の乗り上げ部４２ｃの大部分が第２絶縁樹脂層５２によって覆われているので、第２電極層４２が第１絶縁樹脂層５１から剥離することを抑制することができる。

また、図４に示すように、第１絶縁樹脂層５１の上面と端面５１ｂ上に、シランカップリング層６０が形成されていてもよい。シランカップリング層６０は、第２電極層４２に接している。シランカップリング層６０は、第１絶縁樹脂層５１の表面にシランカップリング材を塗布することで形成される。このように、第１絶縁樹脂層５１と第２電極層４２の間にシランカップリング層６０を配置することで、第１絶縁樹脂層５１と第２電極層４２の間の接着強度を向上させることができる。これによって、第１絶縁樹脂層５１と第２電極層４２の剥離をより効果的に抑制することができる。

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。

１０：半導体モジュール
１２：下部リードフレーム
１４：はんだ層
１６：半導体基板
１８：はんだ層
２０：金属ブロック
２２：はんだ層
２４：上部リードフレーム
２６：樹脂層
２８：ワイヤー
３０：信号リードフレーム
４０：上部電極
４１：第１電極層
４２：第２電極層
５１：第１絶縁樹脂層
５２：第２絶縁樹脂層

Claims

半導体モジュールであって、
半導体基板と、
前記半導体基板の表面を覆う第１電極層と、
前記第１電極層の表面の外周部を覆う第１絶縁樹脂層と、
前記第１電極層の表面の中央部から前記第１絶縁樹脂層の表面に跨る範囲を覆っており、端部が前記第１絶縁樹脂層上に配置されている第２電極層と、
前記第１絶縁樹脂層上に配置されている前記第２電極層の前記端部を覆うように、前記第２電極層の表面から前記第２電極層に覆われていない範囲の前記第１絶縁樹脂層の表面に跨る範囲を覆う第２絶縁樹脂層と、
前記第２絶縁樹脂層に覆われていない範囲の前記第２電極層の表面を覆っているはんだ層、
を有しており、
前記第１電極層の外周側から内周側に向かう方向において、前第２絶縁樹脂層の前記内周側の端部が、前記第１絶縁樹脂層の前記内周側の端部よりも前記内周側の位置、または、前記第１絶縁樹脂層の前記内周側の前記端部と同じ位置に配置されている半導体モジュール。